Кротовые норы мироустройства

Борислав Козловский, Алексей Торгашев

Астрофизики будут искать "кротовые норы" Вселенной - туннели в пространстве, через которые можно попасть в другие Вселенные и в другое время. Главным инструментом поиска станет космический телескоп "Радиоастрон", который выйдет на высокую орбиту в конце будущего года. О том, что такое "кротовые норы", мы беседуем с директором Астрокосмического центра ФИАН академиком РАН Николаем Кардашевым
"Кротовая нора" - это туннель, связывающий разные части пространства. Вход в туннель может быть размером со звезду, с планету, с дом, с пылинку. И если вы туда нырнете, то вынырнете в другом месте. Можно попасть в другую часть нашей галактики, можно в другую галактику, можно в другую Вселенную. По физическим свойствам вход в "кротовую нору" очень похож на черную дыру. Отличие в том, что туда можно не только попасть, оттуда можно и вернуться. У "кротовой норы" нет горизонта событий. Если вы в нее погружаетесь, то вас будет все время видно. Оттуда можно посылать радиосигналы, общаться, и даже сквозь этот туннель наблюдать, что делается на другом конце, - если вы наведете телескоп.
Отчего так? "Кротовая нора" - туннель через какие-нибудь дополнительные измерения?
Нет, дело не в новых измерениях, это из-за такой сложной топологии пространства.
Вы, видимо, говорите о кривизне пространства. Действительно, если бы эта самая кривизна у пространства была, тогда понятно: сгибаем его, как лист бумаги, и прокалываем дырку. Если путешествовать по листу, то будет очень далеко, а если через дырку - рядом. Но, насколько я знаю, никакой кривизны у нашей Вселенной не обнаружено, она плоская.
Да, Вселенная плоская. Но локально кривизна есть. (Любая масса вещества искривляет пространство вокруг себя, особенно сильно этот эффект проявляется у черных дыр с большой массой. - "РР".) "Кротовая нора" - это и есть туннель между двумя входами в тех местах, где кривизна большая.
"Кротовая нора" образуется в таких местах в обязательном порядке или это случайность?
Как сделать "кротовую нору", совершенно неясно. И можно ли ее вообще сделать? Но то, что на ранней стадии развития нашей Вселенной все пространство сплошь было набито такими "кротовыми норами", сейчас почти общепринятый взгляд. Потому что пространство перед началом Большого взрыва, перед расширением, представляет собой такую пенообразную структуру сверхплотного скалярного поля с очень большой кривизной. С очень большими флуктуациями кривизны. И все эти ячейки пены между собой соединены. И потом, после Большого взрыва эти ячейки могут остаться соединенными между собой. Это было показано еще в первых публикациях Уиллера в середине пятидесятых годов.
Сверхплотное скалярное поле пенообразной структуры… Что это?
Это сверхплотный вакуум, вакуум с очень большой плотностью энергии. Это состояние вещества до начала Большого взрыва. Плотность энергии большая, поэтому кривизна пространства высокая.
Со времени Большого взрыва прошло 14 миллиардов лет. Что стало с ячейками этой пены сейчас? До этого, насколько я слышал, и времени-то никакого не было.
На сегодня наиболее логически непротиворечивая модель - модель многокомпонентной Вселенной. Потому что, если мы говорим про Большой взрыв, тут же начинают спрашивать: "А что было до Большого взрыва?" или "Что было в том месте, где не было Большого взрыва?" Что, спрашивать нельзя? Люди недовольны таким положением, и правильно, что недовольны.
Эти вопросы и приводят к понятию многокомпонентной Вселенной. В английском языке есть устоявшийся термин "мультиверс", в русском такого термина нет, поэтому называется так длинно. Это предположение о том, что вся наша Вселенная состоит из бесконечного количества Больших взрывов, которые независимо возникают в разные моменты времени, и пены сверхплотного скалярного поля между ними. И поэтому Вселенная бесконечна и в пространстве и во времени. В разных Вселенных могут быть даже разные законы, разные элементарные частицы.
У каждой Вселенной где-то очень далеко есть стенки, которые состоят из этого сверхплотного вакуума. Как они будут взаимодействовать с другими пузырями, другими Вселенными - этот вопрос тоже изучается.
То есть вы от вопроса "А что там, с краю?" не отмахиваетесь? Часто, когда я спрашиваю физиков, что будет, если подобраться к краю, мне отвечают, что ничего особенного я не увижу, будут все те же звезды. Представить наблюдателя, который во время расширения находился там, с краю, мы тоже не можем, потому что вся наша Вселенная родилась из внутренних областей пузыря. А поскольку увидеть мы ничего не можем, то и разговора нет.
Отворачиваться от таких вопросов, конечно, не нужно. Нужно думать о том, какое есть взаимодействие между той частью, которая похожа на нашу Вселенную, и той, которая совсем не похожа. "Вы об этом не спрашивайте, нам этого не нужно" - приемлемо только для очень небольшого числа людей науки. Ну а дальше уже имеется недовольство экспериментаторов, которые говорят, что теоретики это все придумали, а проверить нельзя. Единственная экспериментальная возможность исследовать другие компоненты "большой Вселенной" - "кротовые норы", которые изначально заведомо были, но неизвестно, существуют ли сейчас.
Каким образом можно обнаружить "кротовую нору"? В последней публикации в "Успехах физических наук" - совместно с Новиковым и Шацким - вы приводите расчеты своей модели "кротовых нор". В чем ее особенности?
Уиллер первый показал, что в момент Большого взрыва была пенистая структура скалярного поля. Потом в том же институте в Калифорнии Моррис и Торн первыми вывели уравнения, которым должна соответствовать "кротовая нора". Вышла статья, в которой были изложены требования к свойствам вещества, чтобы эта "кротовая нора" не превратилась в черную дыру. Оказалось, что свойства вещества очень похожи на свойства магнитного поля или свойства электрического поля.
По каким параметрам?
По уравнению состояния - связь давления и плотности энергии - для направлений вдоль поля и поперек поля. В общем, свойства магнитного поля оказались очень близкими к свойствам "кротовой норы". Мы на это обратили внимание, стали думать, чем магнитные поля у "кротовой норы" должны отличаться от тех полей, которые мы уже наблюдаем. Выяснилось, что вход в туннель будет очень похож на магнитный монополь, то есть магнит с одним полюсом.
Такого ведь в природе не бывает. У любого магнита два полюса.
Магнитных зарядов в космосе нет, это правильно. Частицы, несущие такой заряд, - монополи - искали, но не нашли. И сейчас положение такое, что нужно искать магнитные монополи крупного размера.
Зачем такая экзотика? Вы же сами говорите, что свойства "кротовых нор" похожи и на электрическое поле. А электрических зарядов много: электроны, протоны…
Да, но параметры "кротовой норы" такие, что нужен монополь большого размера. Электрические поля годятся, но в космосе много свободных электронов, эти электроны обязательно прилетят, и электрическое поле погаснет. Так что искать нужно именно магнитный монополь, и как раз потому, что магнитных зарядов в космосе нет. И вот у нас получается, что у одной горловины "кротовой норы" магнитное поле одного знака, а у другой - другого. Если у нас плюс, то на выходе минус, и наоборот.
Как можно обнаружить этот монополь, а вместе с ним и "кротовую нору"?
Сейчас есть методы, с помощью которых исследуется структура магнитного поля. Хорошо известна структура дипольного магнитного поля Земли. Есть дипольное поле у некоторых других планет. У Венеры, например, оно слабое, а у Юпитера - сильное. У Солнца есть магнитное поле… Простейший прибор для обнаружения поля - компас. А на Солнце поле измеряется по так называемому зеемановскому эффекту - по расщеплению и поляризации спектральных линий света. Это квантовый эффект: магнитное поле влияет на структуру атомов, у атомов появляются разные специальные мелкие уровни, которые зависят от мощности магнитного поля. Появляются дополнительные спектральные линии. Есть и другие эффекты: эффект Фарадея и эффект Коттона - Мутона, которые влияют на поляризацию света.
В лабораториях это все проверено и изучено на многих объектах. Мы знаем, какое магнитное поле в межзвездной среде - миллионные доли гаусса (единица магнитной индукции, 1 гаусс равен 0,0001 тесла. - "РР"). На Земле и на Солнце - порядка одного гаусса, в солнечных пятнах - тысячи гауссов. Самые большие поля в нейтронных звездах: в пульсарах - 1020, в магнетарах - 1015).
Давайте к "кротовым норам" вернемся. Как мы их увидим?
Наша Федеральная космическая программа предусматривает запуск орбитальных обсерваторий. Одна из них - "Радиоастрон" будет запускаться в конце будущего года. Через восемь лет, в шестнадцатом году, предполагается запустить обсерваторию "Миллиметрон". Эти обсерватории дадут очень высокое разрешение (способность различить две точки, находящиеся рядом. - "РР"): "Радиоастрон" - в 10 млн раз выше, чем у человеческого глаза, миллионные доли угловой секунды, "Миллиметрон" еще раз в сто больше.
С помощью этих обсерваторий мы заглянем внутрь черных дыр и проверим, не являются ли они "кротовыми норами". Если окажется, что мы увидим лишь мимо пролетающие облака газа и будем наблюдать различные эффекты, связанные с гравитацией черной дыры, искривление траектории света например, то это будет черная дыра. Если же мы увидим радиоволны, идущие изнутри, то будет понятно, что это не черная дыра, а "кротовая нора". Построим картинку магнитного поля по эффекту Фарадея. Пока для этого не хватало разрешения наземных телескопов. И если окажется, что магнитное поле соответствует монополю, то это почти наверняка "кротовая нора". Но сначала нужно увидеть.
Какие-то объекты для наблюдений уже выбраны?
Сначала предполагаем исследовать сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и ближайших галактик. Для нашей - это очень компактный объект с массой в 3 млн солнечных масс. Мы считаем, что это черная дыра, но она может оказаться и "кротовой норой". Есть объекты еще более грандиозные. В частности, в центре самой близкой к нам из массивных галактик М87 в созвездии Девы есть черная дыра с массой в 3 млрд солнц. Эти объекты - одни из самых главных для исследования "Радиоастроном". Но не только они. Есть, например, некоторые пульсары, которые могут оказаться двумя входами в одну и ту же "кротовую нору". И третий тип объектов - всплески гамма-излучения, на их месте возникает также кратковременное оптическое и радиосвечение. Мы их наблюдаем время от времени даже на очень больших расстояниях - как для самых далеких видимых галактик. Они очень мощные, и мы пока не вполне понимаем, что это такое. В общем, сейчас подготовлен каталог из тысячи объектов для наблюдения.
Какие следствия может иметь открытие "кротовых нор"?
Можно заглянуть в другие части Вселенной, в другие Вселенные. Некоторые известные ученые, например Игорь Дмитриевич Новиков, даже рассматривают вопрос о путешествии в прошлое или будущее, то есть о машине времени.
Без нарушения причинности?
Этот вопрос рассматривался в научных публикациях. Но об этом лучше с Игорем Дмитриевичем поговорить. В целом можно сказать, что вопрос путешествия во времени без нарушения закона причинности, вероятно, может быть решен.
Если представить, что мы когда-нибудь не просто посмотрим, а доберемся до горловины "кротовой норы" и пошлем внутрь космонавта, что он увидит во время путешествия?
Сидя внутри туннеля, он будет видеть одновременно оба входа. Если только там нет поглощающей свет материи.
А сами стенки туннеля? Он вообще имеет какую-то протяженность? Или это просто образное название для перемычки между горловинами?
Это образное название. Перемещение вещества почти мгновенное… Но можно использовать более общее уравнение, и тогда в зависимости от решения путешествие будет длительное или короткое.
Почему вообще путешествие должно происходить? Если "кротовая нора" существует, с одной стороны у нее какая-то масса вещества, с другой стороны - другая масса. Под действием гравитации путешественник должен посередине застрять…
Застрять он может только в том случае, если навстречу тоже что-то упадет. Если этого не случится, он улетит через выход. А там все зависит от того, какая масса у противоположной горловины. Они не обязательно одинаковы: все определяется историей входа. Может быть и обмен веществом между ними. А если там много газа и здесь много, то входы могут превратиться в черные дыры и произойдет схлопывание туннеля. Теоретически есть много разных вариантов, но для начала хотелось бы показать, что такие объекты вообще есть.

Фото: SPL/East News; Юрий Чичков для "РР"


LI 7.05.22

Академик РАН Николай Кардашев, директор Астрокосмического центра ФИАН