червоточина и черная дыра в чем разница
Червоточина и черная дыра в чем разница
Общая теория относительности Эйнштейна, которая описывает гравитационное поле, теоретически не запрещает существование таких объектов. Как кротовые норы. Вопрос только в их устойчивости. Сейчас эта проблема дискутируется среди ученых, есть варианты получения устойчивых «кротовых нор». «Кротовая нора» в отличие от Черной дыры не имеет вещество, которое падает до очень высокой плотности в центре Черной дыры. В «кротовой норе» вы можете ходить туда и обратно, тем самым путешествовать и в пространстве, и во времени. Можно построить машину времени, но там возникает проблема с принципом причинности и т.д. Объектов, похожих на Черные дыры открыто тысячи. А «кротовые норы» еще не открыли, чтобы их образовать, их нужно сформировать из особой материи, которая обладает отрицательным давлением.
Сейчас есть понятие «черная энергия» — поле, которое заполняет Вселенную, оно обладает антигравитацией, и отрицательным давлением. То есть существует материя, из которой можно сформировать «кротовую нору». Сейчас астрономы, многие физики более уверено говорят о возможности существовании «кротовых нор». Мы их ищем, есть методы, которые позволяют отличить «кротовую нору» от Черной дыры. У «кротовой норы» нет горизонта событий. Свойства ее несколько отличаются от Черной дыры. «Кротовые норы» могут обладать односторонними выбросами, иметь монопольные магнитные поля. Есть ряд признаков, по которым можно отличить с помощью наблюдений «кротовую нору» от Черной дыры.
Мы этим занимаемся. Это очень экзотический объект, он интригует.
Если «кротовые норы» существуют, то надо доказать, что они устойчивы. Потому что когда вы входите в «кротовую нору», вносите возмущение, и она может превратиться в Черную дыру.
Когда человек попадает в эту «нору», то неизвестно, что в этот момент происходит в настоящем. Время течет там, где нет «кротовых норм» по-своему, а внутри — по-своему. Это уже зависит от конкретной ситуации, нельзя сказать заранее.
Путешествие во времени Как теория Эйнштейна предсказала черные дыры и кротовые норы
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн направил на публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Позднее стало понятно, что новая теория гравитации, которой в 2015 году исполняется сто лет, предсказывает существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. О них и расскажет «Лента.ру».
Что такое ОТО
В основе ОТО лежат принципы эквивалентности и общей ковариантности. Первое (слабый принцип) означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Второй принцип (общей ковариантности) предполагает сохранение уравнениями ОТО своего вида при преобразованиях специальной теории относительности, созданной Эйнштейном и другими физиками к 1905 году. Идеи эквивалентности и ковариантности привели к необходимости рассмотрения единого пространства-времени, которое искривляется в присутствии массивных объектов. Это отличает ОТО от классической теории тяготения Ньютона, где пространство всегда плоское.
ОТО в четырехмерии включает в себя шесть независимых дифференциальных уравнений в частных производных. Для их решения (нахождения явного вида метрического тензора, описывающего кривизну пространства-времени) необходимо задание граничных и координатных условий, а также тензора энергии-импульса. Последний описывает распределение материи в пространстве и, как правило, связан с используемым в теории уравнением состояния. Кроме того, уравнения ОТО допускают введение в них космологической постоянной (лямбда-члена), с которой часто связывают темную энергию и, вероятно, отвечающее ей скалярное поле.
Черные дыры
В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).
Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Восприятие приближения к нему тела в рамках ОТО различается в зависимости от позиции наблюдателя. Для связанного с телом наблюдателя достижение шварцшильдовой сферы произойдет за конечное собственное время. Для внешнего наблюдателя приближение тела к горизонту событий займет бесконечное время и будет выглядеть как его неограниченное падение на шварцшильдову сферу.
Советские физики-теоретики также внесли свой вклад в теорию нейтронных звезд. В статье 1932 года «К теории звезд» Лев Ландау предсказал существование нейтронных звезд, а в работе «Об источниках звездной энергии», опубликованной в 1938 году в журнале Nature, предположил существование звезд с нейтронным ядром.
Как массивные объекты превращаются в черные дыры? Консервативный и наиболее признанный в настоящее время ответ на этот вопрос дали в 1939 году физики-теоретики Роберт Оппенгеймер (в 1943 году он стал научным руководителем Манхэттенского проекта, в рамках которого в США была создана первая в мире атомная бомба) и его аспирант Хартланд Снайдер.
Сверхмассивная чёрная дыра потребляет материю вращающейся вокруг нее звезды (в представлении художника)
Изображение: East News
Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году впервые оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается в 1,4 солнечной массы.
Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году получили значение в 0,7 солнечной массы, современные оценки варьируются от 1,5 до 3,0.
Кротовая нора
Физически червоточина (кротовая нора) представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут находиться в одной и той же вселенной или связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не позволяют потенциальному путешественнику проделать обратный путь.
С математической точки зрения червоточина — это гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений ОТО. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно как обычным способом, так и по соединяющему их тоннелю. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.
В двумерии горловины червоточины — отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель — имеют форму окружности. В трехмерии горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора — это пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.
Обыкновенная (сверху) и неориентируемая (внизу) кротовые норы
Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы привел в 1916 году Людвиг Фламм. Его работа, описывавшая кротовую нору со сферической горловиной без гравитирующей материи, не привлекла внимания ученых. В 1935 году Эйнштейн и американо-израильский физик-теоретик Натан Розен, не знакомые с работой Фламма, нашли аналогичное решение уравнений ОТО. Ими двигало в этой работе желание объединить гравитацию с электромагнетизмом и избавиться от сингулярностей решения Шварцшильда.
В 1962 году американские физики Джон Уилер и Роберт Фуллер показали, что червоточина Фламма и мост Эйнштейна-Розена быстро схлопываются и потому являются непроходимыми. Первое решение уравнений ОТО с проходимой кротовой норой предложил в 1986 году американский физик Кип Торн. Его червоточина заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Элементарные частицы с такими свойствами науке пока неизвестны. Вероятно, они могут входить в состав темной материи.
Гравитация сегодня
Решение Шварцшильда — самое простое для черных дыр. Сейчас уже описаны вращающиеся и заряженные черные дыры. Последовательная математическая теория черных дыр и связанных с ними сингулярностей развита в работах британского математика и физика Роджера Пенроуза. Еще в 1965 году в журнале Physical Review Letters он опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности».
В ней описывается образование так называемой ловушечной поверхности, приводящей к эволюции звезды в черную дыру и возникновению сингулярности — особенности пространства-времени, где уравнения ОТО дают некорректные с физической точки зрения решения. Выводы Пенроуза считаются первым крупным математически строгим результатом ОТО.
Вскоре после этого ученый вместе с британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная находилась в состоянии с бесконечной плотностью массы. Сингулярности, возникающие в ОТО и описанные в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, например, квантовой механики и теории струн. Развитие теории кротовых нор в настоящее время также невозможно без квантовой механики.
Может ли рябь пространства-времени указывать на червоточины?
Пространство-время, как мы знаем сегодня, представляет собой физическую модель, которая дополняет пространство равноправным временным измерением. Благодаря этой модели была создана теоретически-физическая конструкция, которая получила название пространственно-временной континуум. Важно отметить, что до Общей теории относительности Эйнштейна, понимание фундаментальных законов физики было неполным, но публикация ОТО в 1905 году оставила немало вопросов, одним из которых являлись черные дыры и червоточины – «туннеле» в пространстве-времени, соединяющим различные точки пространства-времени. И если существование черных дыр удалось доказать несколько лет назад, то с кротовыми норами все не так однозначно – они принадлежат к гипотетически существующим объектам. Но некоторые ученые считают, что скоро мы тоже сможем их найти. Так, за последние несколько месяцев было опубликовано сразу несколько научных исследований, которые предлагают новые, интригующие способы поиска этих космических объектов.
Может ли рябь в пространстве-времени указывать на червоточины? Физики предполагают, что такие туннели в ткани пространства могут проявляться с помощью необычных гравитационных волн
Интересный факт
Ученые сообщают, что черная дыра, вращающаяся вокруг червоточины, будет излучать особый рисунок гравитационных волн — уникальный для червоточин.
Как найти кротовую нору?
Начнем с того, что черные дыры и кротовые норы – это особые типы решений уравнений Эйнштейна, возникающие, когда структура пространства-времени сильно искривляется гравитацией. Например, когда материя чрезвычайно плотна, ткань пространства-времени может стать настолько искривленной, что даже свет не сможет вырваться наружу. Такие объекты мы называем черными дырами.
Поскольку ОТО позволяет растягивать и изгибать ткань пространства-времени, в 1935 году Эйнштейн и его коллега физик Натан Розен описали, как два участка пространства-времени можно соединить воедино, создав своего рода мост между двумя вселенными. Это – один из видов червоточины, но с тех пор было описано множество других.
Мост Эйнштейна-Розена – участок на изображении, соединяющий два листа пространства-времени.
Говоря о кротовых норах, нельзя не упомянуть гравитационные волны, существование которых было доказано в 2015 году. Дело в том, что с помощью мощных детекторов LIGO и VIRGO, исследователи уже обнаружили черные дыры, но их следующее открытие может перевести кротовые норы из гипотетических объектов, в реально существующие. А если червоточины существуют, то снаружи могут показаться похожими на черные дыры.
Разница между червоточиной и черной дырой заключается в том, что попав в черную дыру объект не сможет из нее вырваться, а оказавшись в кротовой норе, он сможет пройти сквозь нее прямо на другую сторону. Сила, которую мы воспринимаем как гравитацию, на самом деле является результатом искривления пространства-времени.
Странности Вселенной
Итак, планеты вращаются вокруг Солнца, потому что оно создает форму чаши в ткани пространства. (Проще всего представить планеты в виде шариков, которые кружат вокруг и внутри этой чащи). Черные дыры, в свою очередь, искривляют пространство-время в пропасти настолько глубокие, что ничто не может покинуть их. Но пространство-время может также изгибаться в другие странные формы, например в туннели.
Червоточина, показанная здесь, представляет собой туннель в пространстве-времени, соединяющий различные части Вселенной.
Эти туннели или червоточины, могли бы обеспечить кратчайший путь между двумя удаленными местами в пространстве и времени или между двумя разными вселенными. Пространство-время может искривляться, но оно также может колебаться. Эти волны называются гравитационными и могут указывать на червоточины.
Еще больше интересных статей о черных дырах, параллельных вселенных и путешествия сквозь пространство-время читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитационные волны, черные дыры и червоточины
Исследователи полагают, что черная дыра, закручивающаяся по спирали в червоточину, должна создавать странный узор ряби в пространстве-времени. И при наличии правильных инструментов некоторые обсерватории могли бы их обнаружить.
Вход и выход из кротовый норы, скорее всего, выглядит так.
К такому выводу пришли физики в работе, опубликованной в середине лета на сервере препринтов arXiv.org. Волны от пары черная дыра-червоточина будут мигать и включаться, когда черная дыра пройдет через червоточину, а затем снова выйдет. Но на сегодняшний день никаких свидетельств существования этих объектов не существует.
Кротовые норы, безусловно, спекулятивные, с большой буквы «С», — говорит Уильям Габелла. Он – физик из Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси. Однако, если червоточины действительно существуют, у исследователей должен быть шанс их обнаружить. Для этого просто потребовались бы правильные условия и детектор гравитационных волн.
Путешествие черной дыры сквозь червоточину
Как пишет Live Science, команда Габелла рассматривала черную дыру с массой, в пять раз превышающей массу Солнца. Они представили, что черная дыра вращается вокруг червоточины на расстоянии около 1,6 миллиарда световых лет от Земли. По их расчетам, когда черная дыра вращается вокруг червоточины, она должна начать вращаться по спирали внутрь, высвободив гравитационные волны.
Причем сначала они выглядели бы точно так же, как гравитационные волны от двух черных дыр. Структура волн, которую некоторые физики называют чириканьем, со временем будет увеличиваться по частоте. Но достигнув центра червоточины, или «горлышка», черная дыра пройдет через него.
Мост Эйнштейна-Розена в представлении художника.
Затем исследователи рассмотрели, что произойдет, если черная дыра возникнет в отдаленном месте. Например, в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны в первой вселенной внезапно прекратились бы, а во второй вселенной черная дыра «выстрелила» бы наружу, прежде чем снова закрутиться по спирали. Затем она должна пройти весь путь обратно через червоточину и снова попасть в первую вселенную.
Когда черная дыра вернется, она сначала будет по спирали выходить из червоточины. Это может вызвать “анти-чириканье” — картину гравитационных волн, противоположных чириканью, — прежде чем снова погрузиться в это состояние, – пишут авторы научной работы.
Со временем черная дыра будет продолжать прыгать между двумя вселенными, что должно вызвать повторные всплески гравитационных волн. Но между ними были бы периоды молчания – как только черная дыра потеряет достаточно энергии для создания гравитационных волн, ее путешествие закончится и она осядет в горлышке червоточины.
Червоточины могут соединять черные дыры в разных вселенных
Новое исследование ученых предлагает нам немного отвлечься от повседневных забот и подумать вот о чем — что, если можно отправить сообщение в другую Вселенную с помощью черной дыры? Дойдет ли оно? И насколько большое сообщение мы можем отправить? Предположения о том, что черные дыры могут быть порталом в другие вселенные не ново. Об этом говорил британский физик-теоретик Стивен Хокинг, известный благодаря исследованию черных дыр. Сегодня физики обнаружили, что при определенных обстоятельствах мы можем отправить сообщение через теоретически существующую червоточину, которая соединяет между собой черные дыры в разных вселенных. С ума сойти!
Так может выглядеть кротовая нора
Что такое кротовая нора?
Кротовая нора или червоточина — это гипотетическая особенность пространства-времени, которая представляет собой “туннель” в пространстве. Считается, что червоточины могут быть соединены между собой. Таким образом, попав в червоточину в одной части Вселенной, выйти можно будет в другой.
Отметим, что Общая теория относительности (ОТО) допускает существование таких туннелей. Однако, для того, чтобы червоточина являлась проходимой нужны определенные условия, так что для полного понимания кротовых нор нам еще далеко. Поделитесь своими знаниями о кротовых норах с участниками нашего Telegram-чата, будет интересно!
“Туннель”, образованный двумя червоточинами может выглядеть так
Исследование червоточин
Итак, вернемся к исследованию ученых. Согласно полученным результатам, если мы отправим сообщение через червоточину, которая соединяет черные дыры в разных вселенных, то оно должно быть очень коротким (измеряемое в квантовых битах или кубитах). Так что если ученые из вселенной по ту сторону черной дыры тоже решать нам что-нибудь сообщить, это будут лишь крупицы информации.
Для того чтобы наладить связь между двумя вселенными, необходимо чтобы и вселенные, и связанные черные дыры имели определенный вид и форму. Например, проход сквозь кротовую нору возможен только в случае, если пространство-время имеет отрицательную кривизну. Звучит не очень понятно, так что поясним: кривизна пространства-времени это физический эффект, из-за расхождения или сближения траекторий свободно падающих тел. Искривление пространства может быть положительным и отрицательным. Простраство с положительной кривизной — это поверхность сферы, которая одинаково искривлена в каждой точке. А пространство с отрицательной кривизной может иметь форму седла для верховой езды, с разной кривизной в разных точках. Кстати, на нашем канале в Яндекс.Дзен можно прочитать о параллельных вселенных.
Так выглядит пространство с отрицательной кривизной
Благодаря предыдущим исследованиям, ученые знали, теоретическая передача информации через червоточины аналогична квантовой телепортации. Однако, в случае с кротовыми норами существуют ограничения на объем передаваемой информации. А в квантовой телепортации информацию можно практически мгновенно отправить на огромные расстояния, используя квантово-запутанные частицы, то есть частицы не связанные друг с другом, вне зависимости от расстояния, которое их разделяет.
Информация может изменить черные дыры
На изображении: горизонт событий черной дыры. Горизонт событий — это область вокруг черной дыры. Если информация или свет попадают в горизонт событий, выбраться оттуда им будет невозможно
В новом исследование ученые изучили проходимую червоточину, используя геометрию пространства-времени, описанную ОТО Альберта Эйнштейна.
Результаты показали, что одновременно через червоточину можно было передавать лишь несколько битов информации. Исследователи также обнаружили, что отправка сообщений через червоточину изменит черные дыры.
Дело в том, что посылающая черная дыра будет увеличиваться в массе, а принимающая черная дыра будет уменьшаться с каждым отправленным сообщением. При первом сообщении принимающая черная дыра потеряет около 30% своей массы, а при последующих сообщениях и вовсе исчезнет. Кроме того, каждое последующее сообщение будет уменьшаться в размере, так, что в конечном итоге оно не будет содержать никакой информации.
Головокружительно, не так ли? Конечно, все понимают, что подобные кротовые норы, связывающие между собой вселенные, существуют лишь теоретически. И все же ученые не исключают, что подобные объекты могут существовать или даже быть созданы. Возможно, ими даже могут управлять развитые цивилизации. Как думаете, есть ли такие на просторах Вселенной?
Стало известно, в чем разница между кротовой норой и черной дырой
После появления американского документального научно-популярного телесериала с Морганом Фрименом с названием «Сквозь кротовую нору», многие заинтересовались, что же это такое. Рассказываем о космических червоточинах и их отличиях от черных дыр.
Неизведанные космические просторы с давних времен интересуют людей. Сейчас технологии дошли до того, что мы говорим о возможной колонизации Марса и других планет в скором времени. На фоне этого ученых с большей силой стали интересовать перемещения во времени и пространстве, осуществить которые можно с помощью космических кротовых нор.
Путешествия между вселенными: полетят люди ли через 150 лет в кротовую нору
Многомировая интерпретация квантовой механики позволила сделать вывод, что через червоточины можно путешествовать между вселенными. Они являются теоретическими мостами между параллельными мирами. В пространствах-временах с замкнутыми временоподобными кривыми отсутствует деструктивная форма положительной обратной связи виртуальных частиц, циркулирующих через кротовую нору. Таким образом, частица, которая возвращается из будущего, попадает в параллельную вселенную, а не в свою исходную.
Учитывая, что сейчас ведется речь о колонизации Марса, Цереры, Луны, Венеры, Меркурия, спутников Юпитера и Сатурна, то нет ничего удивительного в том, что через какое-то время людям удастся путешествовать между вселенными, летая через кротовые норы. Тем более, что недавно немецкий астрофизик Эрик Ленц придумал, как обойти скорость света, что также может помочь в путешествиях между вселенными.
В чем разница между кротовой норой и черной дырой
Кротовые норы родственны черным дырам, ведь тоже являются локализованными объектами с кривизной пространства и с сильной гравитацией. Но, в них нет ловушки — червоточины имеют не только вход, но и выход. Таким образом, все, что будет затянуто в черную дыру, в ней же и останется, а при попадании в кротовую нору можно пройти сквозь нее и вернуться обратно. Кротовая нора по форме напоминает туннель, заполненный материей с отрицательной плотностью, которая предотвращает самосхлапывание, а черная дыра — воронку.
Основная проблема путешествий во времени с помощью кротовых нор
Проблема заключается в возможности формирования временной петли. Например, если слетать через червоточину в прошлое и войти во взаимодействие, например, со своим дедушкой, то можно изменить будущее. Так, если внук из будущего убьет дедушку в прошлом раньше, чем этот дедушка станет отцом, то образуется катастрофическая «временная петля». Пока в физической теории нет механизма, запрещающего или до крайности затрудняющего образование подобных временных и событийных несостыковок.