Червоточины и путешествия во времени
Linas JuozėnasПоделиться
Ковчег знаний · Вселенная · Глава 09 / Статья 06
Что, если бы у пространства был короткий путь?
Червоточины позволяют физикам задаваться вопросом, как пространство-время может соединять удалённые места — и могут ли такие соединения создавать петли во времени. Математика здесь богата. Превращение такой геометрии в реальный проходимый объект остаётся нерешённой задачей.
Решение — это начало вопроса.
Представьте, что вы достигаете далёкого пункта назначения, выбирая более короткий путь через пространство-время. Червоточина — один из способов математически исследовать такую возможность.
Между описанием геометрии и обнаружением таковой в природе есть несколько проверок: что её поддерживает, как она формируется, переживает ли возмущения и какие наблюдения могли бы её выявить. В этой статье эти проверки рассматриваются отдельно от измеренного замедления времени и гипотетических путешествий в прошлое.
Что такое червоточина?
Червоточина — гипотетическая геометрия пространства-времени, соединяющая области дополнительным маршрутом. Её входы обычно называют устьями; узкую соединяющую область — горлом. В зависимости от модели устья могут вести в разные области одной Вселенной или в отдельные внешние области.[1]
Изображения со сложенной бумагой могут помочь представить короткий путь, но дополнительное измерение на рисунке — это лишь инструмент визуализации. Физический вопрос касается расстояний и причинно-следственных путей внутри пространства-времени. Червоточина не обязана быть трубой, изгибающейся через окружающее пространство, в которое мы могли бы иначе попасть.[2]
Какие червоточины мог бы пересечь путешественник?
Мост Эйнштейна-Розена
В 1935Эйнштейн и Розен представили конструкцию моста, исследуя описание частиц в общей теории относительности. Их целью не было создание проекта межзвёздного транспорта.[3]
Мост в максимально продолженной вечной геометрии Шварцшильда математически соединяет две внешние области. Однако ни массивный путешественник, ни фотон не могут пройти из одной внешней области в другую. Его непроходимость следует из причинной структуры, даже если никто не пытается войти в него.[4]
Вопрос Морриса-Торна
Моррис и Торн вместо этого спросили, какие свойства потребовались бы геометрии, чтобы человек мог пересечь её. В их известных статических сферических моделях горло должно оставаться открытым, маршрут должен проходить в стороне от горизонта событий, а приливные напряжения и время путешествия должны быть приемлемыми для путешественника.[5]
Описание геометрии с такими свойствами оставляет ещё одну задачу: определить вещество и поля, которые могли бы её поддерживать. Статическое решение само по себе также не доказывает, что систему можно было бы сформировать или что она оставалась бы стабильной после возмущения.[5]
Почему в обсуждении возникает отрицательная энергия?
Уравнения Эйнштейна связывают кривизну пространства-времени с энергией, импульсом, давлением и другими напряжениями. Для стандартного горла Морриса-Торна в эйнштейновской гравитации раскрытие геометрии требует нарушения нулевого энергетического условия вблизи горла.[5]
Нулевое энергетическое условие в компактной форме
Это должно выполняться для каждого светоподобного вектора k, представляющего светоподобное направление. Слабое энергетическое условие, напротив, требует неотрицательной плотности энергии для каждого времениподобного наблюдателя. Это связанные предположения о тензоре энергии-импульса, но не взаимозаменяемые определения.[6]
Одного отрицательного давления недостаточно. Для идеальной жидкости нулевое энергетическое условие имеет вид ρ + p ≥ 0, где ρ обозначает плотность энергии. Космологическая постоянная имеет p = −ρ и насыщает это условие. Напряжения в червоточине, как правило, направлены, поэтому важно её радиальное давление.[6]
Что квантовая физика допускает - и ограничивает
Квантовые поля могут иметь отрицательную локальную ренормированную плотность энергии, определяемую относительно подходящего эталонного состояния. Это не даёт свободно накапливаемого вещества с неограниченной отрицательной энергией. Квантовые неравенства для энергии ограничивают соответствующие средние значения, причём точные границы зависят от поля и физической системы.[7]
Сила Казимира между близко расположенными поверхностями измерена. Это наблюдение подтверждает зависящие от граничных условий эффекты квантового поля, но не демонстрирует существования материала, способного удерживать червоточину открытой.[8]
Обычная антиматерия также не даёт обходного пути для выполнения этого требования: античастицы являются возбуждениями с положительной энергией, как и обычные частицы. Противоположный электрический заряд не означает отрицательную энергию.[9]
Форд и Роман применили квантовые ограничения к статическим сферическим червоточинам и обнаружили жёсткие ограничения на размеры горловины и области отрицательной энергии. Их анализ является сильным ограничением в рамках заданных полуклассических предположений, а не теоремой, исключающей всякую мыслимую модель червоточины.[10]
Что означает «путешествие во времени» в физике?
Достижение будущего другого человека
Два часа, движущиеся по разным траекториям в пространстве-времени, могут накопить разное количество собственного времени. Путешественник может вернуться, постарев меньше тех, кто остался позади. Релятивистские различия хода часов экспериментально подтверждены, в том числе сравнениями с использованием точных атомных часов.[11]
В этом смысле путешественник достигает более позднего этапа жизни других людей, переживая при этом меньше прошедшего времени. Оба часа всё ещё идут по своим траекториям; этот процесс не возвращает путешественника к более раннему событию.[11]
Возвращение к событию в собственном прошлом
Замкнутая времениподобная кривая, или CTC, - это направленный в будущее времениподобный путь, замыкающийся сам на себя в пространстве-времени. Облетев планету, вы возвращаетесь в то же место в более поздний момент. CTC возвращает вас к тому же событию в пространстве-времени, делая возможной причинную петлю.[12]
Некоторые математические решения содержат такие кривые. Вращающаяся космологическая модель Гёделя - известный пример; её свойства не описывают наблюдаемую нами Вселенную. Нахождение решения уравнений не доказывает, что природа может сформировать такое пространство-время в реалистичных условиях.[13]
Как два устья могут создать временную петлю?
В мысленном эксперименте Морриса-Торна-Юртсевера относительное движение может привести к тому, что у устьев накопится разное собственное время, пока их связь через червоточину сохраняется. После того как их приведут в подходящую конфигурацию, проход через червоточину может соединить события, которым на внешних часах соответствуют разные моменты времени.[2]
Эта конструкция предполагает, что червоточина и поддерживающие её поля переживают процедуру. Это условный аргумент о геометрии, а не признанный метод инженерной реализации.[2]
Смещение превышает поправку на время перехода и внешнее путешествие. Возвращение в B раньше оставляет время, чтобы подождать и замкнуть петлю.[14]
Одного сдвига во времени недостаточно, чтобы гарантировать наличие замкнутой времениподобной кривой. Он должен быть достаточно большим относительно доступного обратного маршрута, чтобы полный путь замкнулся.[2]
Предотвратила бы природа появление машины времени?
Парадоксы ставят вопрос о согласованности истории
Парадокс дедушки предполагает действие, устраняющее условия, необходимые для совершения этого же действия. Вместо этого классические исследования замкнутых времениподобных кривых могут выяснять, существуют ли самосогласованные истории. В некоторых игрушечных моделях имеются согласованные решения, иногда более одного. Это не доказывает, что машины времени существуют или что путешественники могли бы по своему желанию переписать зафиксированное прошлое.[15]
Гипотеза Хокинга о защите хронологии
Хокинг предположил, что физические законы могут препятствовать образованию замкнутых времениподобных кривых. Квантовые поля могли бы сильно реагировать по мере приближения к формированию области, нарушающей хронологию, изменяя геометрию через обратную реакцию. Эти аргументы служат мотивацией для защиты хронологии; они не являются универсальным доказательством против любых возможных причинных петель.[16]
Кэй, Радзиковский и Вальд доказали более конкретное препятствие: для рассмотренного ими класса горизонтов и квантовых полей стандартное условие регулярности квантового состояния нарушается в некоторых точках горизонта. Обычная конструкция перенормированного тензора энергии-импульса в этих точках перестаёт работать. Это не устанавливает, что энергия повсюду бесконечна, и не определяет, как повела бы себя полная теория квантовой гравитации.[17]
Что исключает топологическая цензура?
При предположениях, включающих асимптотическую плоскостность, глобальную гиперболичность и усреднённое условие на энергию вдоль светоподобных линий, топологическая цензура ограничивает причинный доступ к нетривиальной топологии пространства-времени. Изменение этих предположений меняет то, что устанавливает теорема. Это отличается и от защиты хронологии, и от космической цензуры, поскольку они касаются других вопросов.[18]
Почему червоточины появляются в исследованиях запутанности?
ER = EPR - это предполагаемая связь
Малдасена и Сасскинд предложили связь между мостами Эйнштейна-Розена и квантовой запутанностью. Некоторые запутанные состояния чёрных дыр имеют геометрические описания, включающие мосты. Более широкая гипотеза ER = EPR ставит вопрос о том, насколько далеко простирается эта связь; она не превращает каждую запутанную пару в пригодный для использования туннель.[19]
Проходимость в управляемых голографических моделях
Гао, Джафферис и Уолл показали, что связывание границ определённой антидеситтеровской модели может порождать отрицательную усреднённую нулевую энергию и делать её мост проходимым. Конструкция включает явное взаимодействие между двумя сторонами и соблюдает причинность.[20]
Такие модели ценны, поскольку гравитацию и квантовую информацию можно изучать в дополнительных описаниях. Их граничные условия и взаимодействия являются частью физики; они не обеспечивают автоматически способ открыть короткий путь между удалёнными местами в нашей Вселенной.[20]
Что показал эксперимент с квантовым процессором
В 2022 году исследователи реализовали упрощённую квантовую модель на девятикубитной схеме и изучили динамику телепортации, которую они интерпретировали через гравитационное описание. Эксперимент исследовал предполагаемую связь между квантовой динамикой и физикой червоточин.[21]
Caltech прямо объяснил, что эксперимент не создал настоящую червоточину в пространстве-времени. Это была управляемая квантовая система, а не портал, через который мог бы пройти объект.[22]
Последующие исследователи оспорили, насколько убедительно упрощённая модель подтверждала гравитационную интерпретацию; первоначальная команда защищала рамки эксперимента. Этот спор касается интерпретации модели, а не наблюдавшегося в лаборатории открытия туннеля.[23], [24]
Как астрономы могли бы искать червоточину?
Исследователи рассчитывают, как гипотетические геометрии будут искривлять свет или влиять на излучение от близлежащего вещества. В некоторых моделях изображение может быть очень похоже на изображение чёрной дыры, если источник и наблюдатель находятся по одну сторону. Свет, проходящий через горловину с другой стороны, может создавать иные картины.[25]
Это предсказания моделей. Полезный тест должен указывать геометрию, источник света и условия наблюдения. Само по себе необычное яркое кольцо не укажет на кротовую нору.[25]
Гравитационные волны предлагают ещё один путь. Некоторые компактные модели без горизонта могут имитировать раннюю фазу затухающих колебаний чёрной дыры, но отличаться на более поздних этапах. Заявленное различие потребовало бы тщательного сравнения с обычными астрофизическими объяснениями, эффектами детектора и предпосылками каждой модели.[26]
Ни одно подтверждённое наблюдение не установило существование проходимой кротовой норы в пространстве-времени. Изучение возможного сигнала геометрии или реализация связанных уравнений на процессоре — это достижение, отличное от обнаружения объекта в природе.[22]
Что превратило бы модель в физическую гипотезу?
Убедительное предложение должно объединять несколько составляющих: геометрию пространства-времени, согласованный источник тензора энергии-импульса, механизм возникновения конфигурации и описание её реакции на возмущения. Допущение дополнительного типа поля или изменение теории гравитации меняет задачу и вводит новые предсказания, которые необходимо проверить.
Даже проходимое математическое решение не обязательно будет безопасным для путешественника. Важны приливные силы, излучение, размеры горловины и время, доступное для прохода. Это отдельные вопросы, не связанные с тем, существует ли такой маршрут вообще.[5]
Кротовые норы остаются полезными для физики, поскольку заставляют точно формулировать вопросы о геометрии, энергии и информации. Модели замкнутых временных кривых делают то же для причинности: они показывают, какие предпосылки делают историю предсказуемой и где привычные описания перестают быть надёжными.
Научная фантастика может принять стабильный портал за исходную предпосылку. Физика спрашивает, что могло бы поддержать эту предпосылку и какие свидетельства позволили бы распознать её во Вселенной.
Источники и дополнительная литература
Оригинальные исследования относительности и квантовой теории поля, лабораторные отчёты и основанные на моделях наблюдательные исследования. Источники проверены в сентябре 2026 года; все иллюстрации кротовых нор гипотетичны.
- Институт гравитационной физики имени Макса Планка — Кротовая нораВводит гипотетические устья, короткие пути и временные сдвиги, отличая модели от установленных физических объектов.
- Моррис, Торн и Юрцевер (1988) — Червоточины, машины времени и слабое энергетическое условиеУсловная конструкция превращает разницу в старении устьев во временной сдвиг благодаря предполагаемой проходимой червоточине.
- Эйнштейн и Розен (1935) — Проблема частиц в общей теории относительностиИзначальный мост был предложен как геометрическая модель частиц, позволявшая избежать сингулярностей поля.
- Коллас и Кляйн (препринт 2011 года) — Вложения и эволюция во времени червоточины ШварцшильдаМаксимально продолженный мост Шварцшильда нельзя пересечь между его внешними областями, даже двигаясь со скоростью света.
- Моррис и Торн (1988) — Червоточины в пространстве-времени и их использование для межзвёздных путешествийСтатическая проходимая геометрия требует регулярного горла, отсутствия горизонта и приемлемых условий прохода.
- Конту и Сандерс (2020) — Энергетические условия в общей теории относительности и квантовой теории поляОпределяет нулевое и слабое энергетические условия и их формы для идеальной жидкости, включая роль давления.
- Фьюстер (2012) — Лекции по квантовым неравенствам для энергииОбъясняет квантовую отрицательную энергию, вычитание энергии эталонного состояния и ограничения на подходящим образом усреднённые плотности энергии.
- Ламоро (1997) — Демонстрация силы Казимира в диапазоне от 0,6 до 6 микрометровСообщает об измерении силы Казимира между близко расположенными проводящими поверхностями с помощью крутильного маятника.
- Дэвид Тонг — Квантовая теория поля, глава 5: квантование поля ДиракаПоказывает частицы и античастицы как возбуждения положительной энергии над вакуумом в квантованном поле Дирака.
- Форд и Роман (1996) — Квантовая теория поля ограничивает геометрию проходимых червоточинПрименяет квантовые неравенства для энергии к статическим сферическим червоточинам и выявляет жёсткие ограничения на их масштабы длины.
- Чоу и др. (2010) — Оптические часы и теория относительностиОптические часы измерили неодинаковые интервалы прошедшего времени, предсказанные с учётом движения и различий гравитационного потенциала.
- Франсиско С. Н. Лобо (2010) — Замкнутые времениподобные кривые и нарушение причинностиЗамкнутая времениподобная кривая возвращается к исходному событию пространства-времени, оставаясь локально направленной в будущее.
- Эллис (2000) — Редакторское примечание о космологических решениях ГёделяВращающаяся нерасширяющаяся космология Гёделя содержит замкнутые времениподобные кривые, но не описывает наблюдаемую расширяющуюся Вселенную.
- Кип С. Торн (1992) — Замкнутые времениподобные кривыеИдентификация устьев червоточины может образовывать замкнутые причинные маршруты в условной конструкции пространства-времени.
- Фридман и др. (1990) — Задача Коши в пространствах-временах с замкнутыми времениподобными кривымиСамосогласованность требует, чтобы локальные события соответствовали глобальному решению; это не доказывает существование ветвящихся временных линий.
- Hawking (1992) — Гипотеза о защите хронологииПредлагает квантовую обратную реакцию как препятствие к созданию замкнутых времениподобных кривых.
- Kay, Radzikowski и Wald (1997) — Квантовая теория поля на пространствах-временах с компактно порождённым горизонтом КошиДоказывает нарушение стандартной регулярности квантового поля в базовых точках компактно порождённого горизонта Коши.
- Friedman, Schleich и Witt (1993; исправленный препринт 1995) — Топологическая цензураОграничивает причинный доступ к нетривиальной топологии при предположениях об асимптотической плоскостности, глобальной гиперболичности и усреднённой нулевой энергии.
- Maldacena и Susskind (2013) — Прохладные горизонты для запутанных чёрных дырПредлагает связь ER = EPR между запутанностью и геометриями мостов.
- Gao, Jafferis и Wall (2017) — Проходимые червоточины посредством двуследовой деформацииГраничное взаимодействие обеспечивает проходимость в контролируемой модели пространства анти-де Ситтера, не нарушая причинность.
- Jafferis и др. (2022) — Динамика проходимой червоточины на квантовом процессореЭксперимент с девятью кубитами реализует упрощённую квантовую модель и интерпретирует динамику телепортации через голографию.
- Caltech (2022) — Физики наблюдают динамику червоточины с помощью квантового компьютераУчреждение, где проводился эксперимент, прямо объясняет, что настоящая пространственно-временная червоточина не была создана.
- Kobrin, Schuster и Yao (2023) — Комментарий о динамике проходимой червоточины на квантовом процессореСтавит под вопрос, однозначно ли упрощённая модель демонстрирует заявленную гравитационную динамику.
- Jafferis и др. (2023) — Ответ на комментарий о динамике червоточинАвторы эксперимента защищают свою интерпретацию и уточняют область применимости модели.
- Chen и др. (2024) — Наблюдательные признаки проходимых червоточинИзображения моделей могут напоминать чёрные дыры или отличаться от них, когда свет достигает наблюдателей через горло.
- Cardoso, Franzin и Pani (2016) — Является ли затухающее колебание гравитационных волн инструментом исследования горизонта событий?Компактные модели без горизонта могут имитировать раннюю стадию затухающего колебания чёрной дыры, что служит поводом для тщательной проверки поведения на поздних этапах.
Природа пространства и времени
- Специальная теория относительности: замедление времени и сокращение длины
- Общая теория относительности: гравитация как искривлённое пространство-время
- Квантовая механика: корпускулярно-волновой дуализм
- Квантовая теория поля и Стандартная модель
- Чёрные дыры и горизонты событий
- Червоточины и путешествия во времени · Вы здесь
- Тёмная материя: скрытая масса
- Тёмная энергия: ускоряющееся расширение
- Гравитационные волны
- На пути к единой теории