Физики сделали пошаговые инструкции по созданию червоточины

Как можно быстро путешествовать по всей Вселенной, преодолевания расстояния в тысячи или миллионы световых лет? Тогда, когда мы сможем заглянуть в ближайшее отверстие червоточины, совершить небольшую прогулку по ее тоннелю и оказаться в каком-то экзотическом отдаленном уголке мироздания.

Однако есть небольшая техническая трудность: червоточины, которые изгибают пространство-время настолько экстремально, что образуется короткий туннель, катастрофически нестабильны. Например, как только вы посылаете один фотон в нее, все разрушается.

Но в недавнем исследовании, опубликованном в журнале препринтов arXiv.org, ученые нашли способ построить почти устойчивую червоточину, которая разрушается, но достаточно медленно, чтобы позволить отправлять сообщения — и, возможно, даже предметы — вниз по ней, прежде чем она разорвется на части. Все, что нужно, это две черные дыры и несколько бесконечно длинных космических струн.

В принципе, создание червоточины довольно просто. Согласно теории относительности Эйнштейна, масса и энергия деформируют ткань пространства-времени. И определенная особая конфигурация материи и энергии позволяет сформировать туннель, кратчайший путь между двумя удаленными частями вселенной.

К сожалению, даже на бумаге червоточины фантастически нестабильны. Даже один фотон, проходящий через червоточину, запускает катастрофический каскад событий, который разрывает червоточину. Тем не менее, определенное количество отрицательной массы может противодействовать дестабилизирующему воздействию обычной материи, пытающейся пройти через червоточину, делая ее проходимой.

Однако, вещества с отрицательной массой не существует, поэтому необходим новый план.

Давайте начнем с самой червоточины. Нам нужен вход и выход. Теоретически возможно соединить черную дыру (область пространства, откуда ничто не может уйти) с белой дырой (теоретическая область пространства, куда ничто не может войти). Когда эти два странных объекта объединяются, они образуют совершенно новую вещь: червоточину. Таким образом, вы можете прыгнуть в один конец этого туннеля, и вместо того, чтобы оказаться в забвении, вы просто безвредно выйдете с другой стороны.

Однако, белых дыр тоже не существует в природе, поэтому нужен новый план.

К счастью, очень умная математика показывает возможный ответ: заряженная черная дыра. Черные дыры могут нести электрический заряд. Внутри заряженной черной дыры находится очень странное место с нормальной точечной сингулярностью черной дыры, растянутой и искаженной, что позволяет ей образовывать мост к другой противоположно заряженной черной дыре. Получается червоточина, использующая только то, что действительно может существовать.

Но у такой червоточины, проходящей через заряженные черные дыры есть две проблемы. Во-первых, она все еще нестабильна, и если что-то или кто-то на самом деле пытается ее использовать, она разрушится. Другая проблема заключается в том, что две противоположно заряженные черные дыры будут притягиваться друг к другу — как гравитационными, так и электрическими силами — и если они сольются вместе, получится одну большая, нейтрально заряженная черная дыра.

Таким образом, чтобы все это работало, нам нужно убедиться, что две заряженные черные дыры находятся в безопасности далеко друг от друга, и убедиться, что туннель червоточины может держать себя открытым долгое время. Для этого есть потенциальное решение: космические струны.

Космические струны — это теоретические дефекты, похожие на трещины одномерные складки, которые образуются в ткани пространства-времени. Эти космические останки образовались в первые моменты первых долей секунды после Большого взрыва. Это действительно экзотические объекты, размером не шире протона, но один сантиметр их длины перевешивают гору Эверест. Диаметр космических струн значительно меньше размеров атомных ядер (порядка 10⁻²⁹ сантиметра), длина — как минимум десятки парсеков, а удельная масса — порядка 10²² грамм на сантиметр.

Космические струны могут разрезать пополам любой объект, как космический световой меч, но об этом не нужно сильно беспокоиться, поскольку ученые еще не уверены, что они существуют, и никогда не наблюдали их во Вселенной (только косвенно).

Тем не менее, нет никаких причин, по которым они не могут существовать.

Когда дело доходит до червоточин, у них есть еще одно очень полезное свойство: огромное напряжение. Другими словами, червоточинам не нравится, когда их толкают. Если вы пронизываете червоточину космической нитью и позволяете струне проходить вдоль внешних краев черных дыр и растягиваться с любого конца до бесконечности, то натяжение струны предотвращает притяжение заряженных черных дыр друг к другу, держа два конца червоточины далеко друг от друга. По существу, дальние концы космической струны действуют как две противостоящие команды для перетягивания каната, сдерживая черные дыры.

Одна космическая нить решает одну из проблем (удерживая концы открытыми), но она не предотвращает разрушение самой червоточины. Итак, давайте добавим еще одну космическую нить, также пронизывающую червоточину, но кроме того проходящую через нормальное пространство между двумя черными дырами.

Когда космические струны замкнуты в петле, они покачиваются. Такие вибрации действуют на саму ткань пространства-времени вокруг них, и при правильной настройке вибрации могут привести к тому, что энергия пространства в их окрестностях станет отрицательной, эффективно действуя как отрицательная масса внутри червоточины, потенциально стабилизируя ее.

Все это кажется сложным, но в недавней работе группа физиков-теоретиков дала пошаговые инструкции по созданию именно такой червоточины. Это не идеальное решение: в конце концов, внутренние вибрации космических струн — те же самые, которые могут держать червоточину открытой — вытягивают энергию и, следовательно, массу из струны, делая ее все меньше и меньше.

По сути, с течением времени космические струны исчезнут, с полным обрушением червоточины. Но такая червоточина может оставаться стабильной достаточно долго, чтобы позволить сообщениям или даже материальным объектам проходить по туннелю не разрушаясь.

Статья была опубликована в издании Live Science.

Traversable Asymptotically Flat Wormholes with Short Transit Times, Zicao Fu, Brianna Grado-White, Donald Marolf