Норки сквозь пространство и время

Представьте себе, что вы входите в какой-то туннель на Земле, а выбираетесь через несколько часов, а то и минут, неподалеку от Альфы Центавра — на расстоянии в четыре с лишним световых года. Если же вам удастся двигать концы этого туннеля один относительно другого, то вы сможете его применить и для путешествий во времени. Подобные перемещения давно используют фантасты, и на страницах их романов всевозможные «нуль-транспортировки» стали обычным делом, таким же, как бластеры и скорчеры. А фильмы типа «Назад в будущее» или «Эксперимент "Филадельфия"» сделали максимально наглядными результаты игры воображения.

В реальной жизни, правда, пока никто не видел и намека на нечто нохожее. Однако в общей теории относительности Эйнштейна подобные «короткие пути» возникают довольно естественно. И вот совсем недавно один итальянский теоретик высказал в своей статье предположение, что такой туннель возможно создать в лаборатории. А группа американских физиков считает, что если «норки» в пространстве остались от большого взрыва или были созданы неизвестными нам цивилизациями для межгалактических перемещений, то нам может повезти их зарегистрировать. После таких «заявок» поневоле кажется, что завсегдатаи фантастических романов уверенно перебрались в физические лаборатории. А может, это мистификация ученых? Что же стоит за всем этим на самом деле?

Хотите путешествовать в пространстве — искривите его!

Прежде всего поговорим о самом термине — туннель или норка. По-английски это звучит wormhole. По-русски — норка червяка. Как-то не очень благозвучно, поэтому в дальнейшем будем использовать более нейтральный «туннель».

Итак, существование туннелей было теоретически предсказано еще в начале века, но возможно ли в принципе световым лучам, тем более частицам, пропутешествовать сквозь него? Этот вопрос оставался открытым до 1988 года, пока Кип Торн и Майкл Моррис из Калифорнийского технологического института в Пасадене не занялись изучением фантастической новеллы Карла Сагана «Контакт». Их попросили с научной точки зрения проанализировать возможность подобных путешествий.

Торн и Моррис пришли к выводу, что туннель должен отличаться от черной дыры, которая «все впускает и ничего не выпускает», в него можно войти и выйти с другой стороны. Кроме того, скорость движения по туннелю должна быть умеренной, чтобы путешественники не испытывали дискомфорта. Наложив эти требования на уравнения общей теории относительности, они получили целый ряд решений, каждое из которых соответствовало «проходимому» туннелю.

Следуя Торну, если хочешь сделать такой туннель, выбирай одну из двух стратегий. Первая — создать туннель, попросту говоря, из ничего, а строже выражаясь — из квантовых флуктуаций. В соответствии с квантовой теорией, на сверхмалых расстояниях около десяти в минус тридцать пятой степени метра (на двадцать порядков меньше атомных размеров) флуктуации гравитационного поля становятся столь сильны, что пространство просто начинает пениться и там образуются нс только пузыри, но и туннели. Некоторые теоретики полагают, что их вполне можно увеличить. Скажем, американский физик Томас Роман считает, что эти туннели могут расти совершенно естественно, следуя инфляционному расширению Вселенной. Основная сложность подобных рассмотрений заключается в том, что пока у теоретиков нет квантовой теории гравитации и они не знают всех свойств квантовых пузырей.

Вторая стратегия, придуманная Торном, основана на том, что вы сами искривляете и скручиваете пространство. Эго сложный и катастрофический для пространства процесс. Для аналогии обратимся к муравью, ползающему по листу карты. На рисунке 1 показано, как долог путь муравья от плоской Земли к плоской Альфе Центавра и как быстро можно его сократить, если «прокопать» соответствующий туннель. Понятно, что для создания туннеля на двумерном пространстве карты ее надо искривить в трехмерном пространстве. Подобным образом туннель в нашем пространстве должен проходить через пространства более высоких измерений. Благодаря двумерной аналогии видно, как сильно надо искривить пространство, чтобы создать туннель.

Такое жуткое «насилие» не может остаться без последствий. В начале и конце туннеля образуется разрыв, где время и пространство резко обрываются, примерно так же, как и в точке сингулярности черной дыры или Большого взрыва. Мы пока не можем подробно изучать, описывать и понимать эти явления, опять-таки поскольку не создана теория квантовой гравитации.

Но вот недавно Клаудио Макконе из Турина предложил третий путь создания туннеля — искривить пространство мощным магнитным полем. Может показаться странным, что гравитационный эффект должен возникнуть от действия совсем другого поля, однако из общей теории относительности следует, что все, обладающее энергией, искривляет пространство. Доказательство этому нашел итальянский теоретик Туллио Леви-Чивита всего через два года после первой публикации Эйнштейна в своей работе о «магнитной гравитации».

На помощь приходят магниты

Пропуская по проводу, скрученному в катушку, электрический ток, можно создать внутри нее не только статическое однородное магнитное поле. Решение Леви-Чивиты показало, что в катушке возникает и гравитационное поле. Единственная проблема в том, что оно совершенно крошечное: для заметных гравитационных эффектов магнитное поле должно быть многократно сильнее, чем дают современные технологические возможности. Поэтому «магнитная гравитация» оставалась на уровне теоретических построении и гипотез.

Однако Макконе удалось заметить, что решения Леви-Чивиты, его «магнитная гравитация» имеют много общего с проходимыми туннелями Торна и Морриса- «То, что получил Леви-Чивита, это магнитный туннель»,— настаивает Макконе. Но любой созданный магнетизмом в лаборатории туннель обладает столь большими размерами, что лишь малая его часть помещается в ней. По расчетам Макконе, если туннель образовать магнитным полем в несколько тесла (уже сотни тысяч «земных» полей), то радиус искривления пространства будет раз в семьдесят больше расстояния от Земли до Сириуса — самой яркой звезды на небе (это около девяти световых лет). Чтобы создать кривизну в метр — тогда туннель полностью «влезет» в лабораторию,— необходимо поле в миллиарды миллиардов тесла.

Макконе отмечает, что на Земле нет таких полей, но на поверхности нейтронных звезд — очень плотных остатков от Сверхновых — поле может приближаться к миллиарду тесла, и там могут случайно возникать туннели. Если же мечтать о создании туннеля на Земле, то, по оценкам Макконе, надо изготовить трехкилометровый магнит!

Но как — в любом случае — обнаружить столь ничтожный гравитационный эффект? Итальянский теоретик уверен, что магнитная гравитация сможет влиять на световой пучок. «Проходя сквозь катушку, световой луч будет слегка замедлять свое движение, если там не вакуум, а появилось гравитационное поле».

На первом этапе Макконе хочет подтвердить, что есть собственно магнитная гравитация, а значит, существуют и «туннельные» решения уравнений Эйнштейна. Следующий шаг — доказать, что магнитное поле может «скрутить» пространство до туннеля,— гораздо более сложен, это основной аргумент противников Макконе. «Если Макконе считает, что это возможно, я буду лишь счастлив, когда его мечты осуществятся, но пока у меня есть серьезные сомнения»,— говорит Джон Крамер из Вашингтонского государственного университета.

Любители точности и знатоки архивов припоминают, что способ создания туннеля был предложен уже тридцать лет назад Робертом Герохом из Принстона. Он нашел механизм плавного искривления пространства в туннель, но плата оказалась слишком велика: теперь уже и само время искривлялось так сильно, что туннель действовал как машина времени, перенося предметы в прошлое, к моменту начала его создания. Сперва эта «машина времени» вызвала резкое неприятие у ученых, но при более близком рассмотрении оказалось, что она никак не противоречит обшей теории относительности. И сейчас, после работ Макконе, проблема вновь попала в фокус интересов физического сообщества.

Час от часу не легче...

Даже если вам посчастливилось создать туннель, предстоит его поддерживать в открытом состоянии. Пространство там скручено так неестественно, что оно схлопнется в мгновение ока, если не принимать специальных мер. Торн и Моррис еще в 1988 году писали, что для стабильности их проходимых туннелей необходима «экзотическая материя», которая будет поддерживать стену туннелей от схлопывания... отрицательной гравитацией.

Нет-нет, ученых не «вынесло» за пределы научной территории. Сама по себе отрицательная гравитация — вовсе не какой-то фантом. По общей теории относительности, в гравитацию тела вносят вклад два «участника». Первый — это плотность энергии, то есть количество энергии, содержащееся в единице объема. Она равна произведению плотности вещества на квадрат скорости света и всегда положительна. Второй определяется давлением со стороны окружающей материи, а вот оно уже может быть как положительным, так и отрицательным.

Обычно влияние этого давления пренебрежимо мало по сравнению с количеством энергии, заключенной в веществе. Но Торн и Моррис полагают, что есть вид материи со значительным отрицательным давлением. В нем должно существовать большое напряжение, как в струне- Отрицательное давление может быть так велико, что будет превышать плотность энергии вещества. А это способно изменить знак кривизны пространства и сделать гравитацию отталкивающей.

Конечно, сказанное звучит диковато, но многие относятся к такой необычной гравитации вполне благосклонно еще и потому, что ее существование может объяснить развитие Вселенной. В соответствии с инфляционным сценарием Большого взрыва Вселенная мгновенно раздувается, и причина этого раздувания во многом еще нс ясна. Так вот, сю может быть пресловутая отрицательная гравитация.

Инфляция, в свою очередь, может дать средство для поддержания открытыми микротуннелей, возникших в первые мгновения после Большого взрыва. А именно — породить петли космических струн, одномерных дефектов в пространстве-времени, в которых условия первых мгновений сохраняются с течением времени. Матт Виссер из университета в Сент-Луисе (США) считает, что естественные макроскопические туннели могут возникнуть из начальных квантовых микротуннелей, только если их стабильность будут поддерживать петли космических струн. А вот если пытаться создавать искусственные туннели в лаборатории, то, по его мнению, надо сперва отыскать или сотворить то самое экзотическое вещество, которое сможет поддерживать их открытыми. Проблема только в том, что никто не знает, как его создавать и есть ли оно где-либо во Вселенной.

Однако Махконе подчеркивает, что для его магнитных туннелей никакого экзотического вещества не требуется, они сами поддерживают себя в открытом состоянии и нс подчиняются правилам Торна-Морриса о необходимости отрицательного давления. При этом он честно признается, что не понимает полностью этого эффекта, но тот тем не менее существует. С этим соглашается и Виссер: решения Леви-Чивиты не требуют экзотического вещества. Он сомневается по другому поводу: «По-моему, это совсем не туннели, а замкнутые сферические миры — через них никуда нельзя попасть, в них можно лишь находиться».

Макконе готов признать, что его туннели — очень непростые создания, но от них можно попытаться «отрезать» кусочки, чтобы они стали проходимыми. Боюсь, что здесь научная дискуссия вновь начинает напоминать разговор героев фантастического романа. Давайте лучше скажем, что идет обычный диспут теоретиков, а нам с вами предстоит ждать, пока они придут к единому мнению.

Туннель почти... не виден

А что если все же есть в пространстве туннели, неважно магнитные или с экзотическим веществом? Если так, то группа американских теоретиков недавно предложила способ заметить их существование. Для этого надо постоянно наблюдать за возможно большим количеством звезд. Если нам посчастливится и один из концов туннеля пройдет между звездой и Землей, то свет от звезды будет мерцать весьма необычно, но характерно.

Все дело в появлении и исчезновении масс. Когда вещество попадает в туннель, вход его, естественно, получает дополнительную массу. Как отмечает российский космолог Игорь Новиков, выход туннеля в то же мгновение теряет такое же количество вещества. Он пишет в своей работе, что даже после того, как вещество покинет туннель с другой стороны, вход будет иметь добавочную массу, а выход — недостачу. По мнению Новикова, прохождение вещества может приводить к потере туннелем массы, иначе говоря, туннель должен приобрести отрицательную массу.

Отрицательная масса — еще одно достаточно интересное и необычное явление. Объект с такой массой будет вызывать отталкивающую силу гравитации. Кроме того, он будет необычно влиять на лучи света, и именно это влияние и надеются заметить физики.

Когда объект с обычной, положительной массой проходит между звездой и Землей, он искривляет лучи света от звезды и действует на них, как обычная собирающая линза. Это достаточно хорошо изученный эффект гравитационной линзы, он приводит к временному повышению яркости звезды и последующему ее спаданию.

Отрицательная масса должна действовать другим образом. Полагали, по аналогии с положительной гравитацией, что она будет работать как рассеивающая линза, но расчеты дали иной результат. Оказалось, что объект с отрицательной массой дает более мощный эффект собирающей линзы, чем даже гравитационная линза с положительной массой. Этот неожиданный результат связан с механизмом действия гравитационной линзы.

Если лучи проходят через обычную линзу, более всего искривляется путь самых далеких от оптической оси лучей. А в гравитационной линзе наоборот: гравитация ослабевает с расстоянием, и более всего искривляются ближайшие к оси лучи. Для отрицательной массы эти ближайшие лучи будут отталкиваться от оси сильнее далеких. В связи с этим лучи станут собираться в пучок на периферии. Эту концентрацию лучей по краям и будут видеть наблюдатели на Земле. «Такое появление двух сопутствующих изображений у звезды должно стать четким сигналом о прохождении отрицательной массы»,— считает Майкл Моррис.

• Лючио Фонтана. «Концептуальный космос I»

К счастью, нет необходимости организовывать специальный поиск объектов с отрицательной массой. Уже несколько лет три международные группы исследователей старательно следят за яркостью миллионов звезд в двух местах: в Большом Магеллановом облаке и в центре нашей галактики — Млечном Пути. Они озабочены поисками таинственного «темного вещества», которое, как считают, может составлять большую часть вещества Вселенной. Его называют по-английски MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object). Поклонники отрицательных масс по аналогии предлагают название своим питомцам G-NACHO — Gravitational Negative Anomalous Compact Halo Object.

Ну и каков же результат поисков? У команды Морриса был один кандидат с достаточно отчетливым сигналом двойного пика яркости. Два месяца радостного подъема, однако... более тщательное изучение отмело кандидатуру отрицательной массы. Теперь это редкостное событие объясняют иным способом: две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга, — тоже экзотика, но не долгожданные туннели.

Сейчас перед искателями «темного вещества» поставлена задача обнаружить и двойные пики от отрицательных масс. Никто не надеется на скорый успех, но главное сделано: туннели и отрицательная масса успешно перекочевали со страниц фантастических произведений в лаборатории к тучные отчеты. Дело за малым: найти туннель, добраться до него, залезть внутрь и... •

• 1. Туннель на двумерном пространстве

• 2. Гравитационная линза, созданная отрицательной массой

Александр Алешин