Время от времени полезно дать волю воображению. Дон Уилкинс изучает работы Карло Ровелли в институте Периметр, где физик и писатель исследует необычные идеи, хотя, возможно, ни одна из них не является столь экзотической, как белые дыры. Существуют ли они, и есть ли способы представить себе будущую технологию, которая сможет их использовать? Уилкинс – преподаватель электроники в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, где он продолжает следить за исследованиями, которые однажды могут оказаться актуальными для межзвездных исследований. Белые дыры открывают перспективы даже для путешествия человека к другим звездам, но превращение этих гипотетических объектов в реальность пока остается лишь математическим упражнением.
Среди множества концепций межзвездных путешествий человека одна из самых провокационных – это детище теорий Эйнштейна, светлый близнец черной дыры, белая дыра. Существование черных дыр, конечной стадии сжатия для стареющих звезд с массой, превышающей в три раза массу нашего Солнца, объявлено теорией и подтверждено наблюдениями. Белые дыры, извергающие материю, являются аналогами черных дыр и не поддаются наблюдениям. Но не исследованиям теоретиков.
Карло Ровелли, итальянский физик-теоретик и писатель, ныне занимающий должность заслуженного приглашенного исследователя в Институте теоретической физики Периметр, обсуждает все это в удивительно краткой книге под названием “Белые дыры”, где он путешествует в компании с Данте Алигьери, другим автором, имеющим опыт спусков в опасные места. Ровелли делает два замечательных утверждения.
Он утверждает, что другой ученый, Дэниел Финкельштейн, показал, что Эйнштейн и другие аналитики ошибаются, когда изображают, что происходит при входе в черную дыру. Из статьи Финкельштейна (цитата ниже):
“Гравитационное поле сферической точечной частицы не инвариантно относительно обращения времени при любом допустимом выборе временной координаты. Поверхность Шварцшильда, r=2m, не является сингулярностью, а действует как идеальная однонаправленная мембрана: причинные воздействия могут пересекать ее, но только в одном направлении”.
Другими словами, никакого замедления времени, никакого спагеттирования смельчаков, попадающих в черную дыру. Решение Шварцшильда применимо только к удаленным наблюдателям; оно не описывает наблюдателя, пересекающего горизонт событий черной дыры.
Ровелли верит в существование белых дыр. Его белая дыра рождается, когда черная дыра сжимает свои составные части в область квантовой механики. Ровелли полагает, что “…черная дыра… квантово туннелируется в белую изнутри – а снаружи может оставаться неизменной”.
На рисунке ниже и по интуиции Ровелли квантовая сетка разделяет черную и белую дыры. При таких малых размерах квантовые туннельные эффекты перебрасывают материю из черной дыры в устье белой дыры и обратно во Вселенную.
Внешние стороны черной и белой дыры геометрически идентичны независимо от направления времени. Горизонт не обратим под действием потока времени. В результате внутренности черной и белой дыры идентичны.
В работе, написанной в соавторстве с Хэлом Хаггардом, Ровелли пишет:
“Мы построили метрику черной дыры, туннелирующей в белую дыру, используя классические уравнения вне квантовой области, получили оценку порядка величины для начала квантовых гравитационных явлений и некоторые косвенные указания на эффекты квантовой гравитации”.
Хаггард и Ровелли признают, что расчеты не вытекают из первых принципов. Полноценная теория квантовой гравитации обеспечит это требование.
Усилия по созданию стабильной червоточины требуют укрепления входа или устья червоточины огромным количеством гипотетического материала – отрицательной материи. Хотя утверждается, что в узких рамках устройства Казимира образуются ее ничтожные количества, идеи о том, как изготовить отрицательную материю планетарного размера, пока отсутствуют.
Согласно последним исследованиям, стабильность белой дыры зависит от того, какое из двух основных семейств материи, бозоны или фермионы, образует белые дыры. Бозоны – это субатомные частицы, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и спиновое квантовое число которых имеет целое значение (0, 1, 2, …). Фотоны, глюоны, Z-нейтральный слабый бозон и слабозаряженные бозоны являются бозонами. Гравитон, если он существует, тоже является бозоном. Теоретический анализ стабильных проходимых белых дыр, основанных на бозонных полях, демонстрирует необходимость огромного количества отрицательной материи, чтобы держать устье белой дыры открытым.
Другое семейство, фермионы, имеет нечетные полуцелые спины (1/2, 3/2 и т. д.). Эти частицы, электроны, мюоны, нейтрино и составные частицы, подчиняются принципу исключения Паули. Именно это семейство используется группой исследователей для описания стабильной белой дыры с двумя фермионами. Их конфигурация создает “заряд без заряда” Джона Уилера, когда электрическое поле задерживается внутри структуры без какого-либо физического электрического заряда. Отверстие в белой дыре было бы слишком маленьким, несколько сотен планковских длин (планковская длина равна 1,62 х 10-35 м), чтобы пропускать гамма-лучи.
Ровелли здесь вновь вступает в дискуссию. Космический телескоп “Джеймс Уэбб” обнаружил большое количество черных дыр в ранней Вселенной, больше, чем предполагалось. Ровелли описывает белые дыры, образующиеся из этих черных дыр, как беззарядные образования размером с планковскую длину, не способные взаимодействовать с веществом иначе, чем через гравитацию. Другими словами, потомки ранних черных дыр проявляются как материал, который мы описываем как темную материю. Ровелли работает над созданием квантового датчика для обнаружения этих белых дыр.
Когда белые дыры будут обнаружены, можно будет захватить белую дыру. Джон Г. Крамер, заслуженный профессор физики Вашингтонского университета в Сиэтле, штат Вашингтон, предлагает разогнать червоточину почти до скорости света. Нацелившись на Тау Кита, он предсказываета:
“Время прибытия через червоточину равно T’ = T/γ , где γ – коэффициент Лоренца [γ= (1- v/c)-½], а v – скорость конца червоточины после ускорения. Для сравнения, максимальная энергия протонов, ускоренных на БАК в ЦЕРН, имеет фактор Лоренца 6,930. Таким образом, время прибытия на Тау Кита через червоточину, ускоренную на БАКе, составит 15 часов…. Следовательно, ускоренная червоточина становится машиной времени, соединяющей настоящее с прибытием далеко в будущее”.
Распыление ускоренных электронов через червоточину может расширить устье до таких размеров, что его можно будет использовать в качестве сенсорного портала в другую звездную систему. Червоточина превращается в перископ длиной в несколько световых лет, который ученые могли бы сгибать и поворачивать, чтобы изучить вблизи и в деталях звезду и ее планеты. Возможно, червоточина может быть расширена настолько, чтобы пропускать более крупные физические тела.
Константин Аникулезеи и международная группа исследователей, вероятно, преодолели необходимость в ускорителе такого размера, как БАК, чтобы разогнать белую дыру до полезных размеров. Разработав новый ускоритель кильватерного поля, в котором интенсивный лазерный импульс, сфокусированный на плазме, возбуждает нелинейные плазменные волны для захвата электронов, команда создала пучки электронов с энергией 10 гигаэлектронвольт (ГэВ). Длина ускорителя поля составляла всего десять сантиметров, хотя для возбуждения кильватерных полей требовался петаваттный лазер.
Крамер выдвинул гипотезу, что фермионные белые дыры образовались сразу после Большого взрыва и в космических лучах. Звездные врата могут быть найдены в бомбардировке Земли космическими лучами или, возможно, заперты в метеоритах. Тяжелые частицы, если бы они оказались в ловушке на Земле, вероятно, опустились бы к центру планеты.
Все, что нужно для поиска фермионной белой дыры, предполагает Крамер, – это масс-спектрометр. Позвольте процитировать его слова:
“Червоточины могут быть сверхтяжелыми компонентами космических лучей…. Они могут быть заперты в камнях и минералах…. В масс-спектрографе их в принципе можно вытащить из испарившегося образца электрическим потенциалом, но они будут настолько тяжелыми, что в магнитном поле будут двигаться по практически не отклоняющейся прямой линии. …червоточины все еще могут быть найдены в метеоритах, сформировавшихся в условиях отсутствия гравитации”.
На червоточину, по сути, не влияет магнитное поле. Масс-детектор укажет на невидимую массу. Остальное, как любят говорить не инженеры, – это просто инженерия.
Если эта линия рассуждений верна – очень большое “если”, – то увеличенные белые дыры могли бы передавать сообщения и материю по туннелям в пространстве к далеким звездам.
Читайте также: Черные дыры на самом деле поглощают энтропию