Чи можливі кротовини?

Брендан Фостер

На початку епохи дослідження чорних дір, коли вони ще не мали своєї теперішньої назви, фізики не знали, чи такі об’єкти справді можуть існувати. Дехто вважав їх лише цікавинкою у складних математичних рівняннях, які описували нову, як на ті часи, загальну теорію відносності. Згодом, однак, з’ясувалося, що ці екстремальні об’єкти не лише існують у Всесвіті, а й дуже у ньому поширені. Чорна діра, наприклад, є і в нашій галактиці.

Сьогодні фізики дискутують про інше неймовірне передбачення теорії відносності – кротовини, або тунелі, які сполучають різні точки простору. Спостерігач, який потрапив у такий тунель, мав би тієї ж миті вийти з нього в іншому місці, яке гіпотетично може бути навіть на іншому боці Всесвіту. Чи справді такі об’єкти можуть існувати? І якщо вони існують, то чи можуть люди сподіватися коли-небудь використати їх для своїх космічних подорожей?

Вперше ідея кротовини з’явилась у 1935 році. Десятиліттями науковці міркували, що такі тунелі у просторі, найімовірніше, не є елементами реальності. Але недавнє дослідження запропонувало здогадки про те, як вони все-таки можуть з’являтися. Причому механізм їхньої появи може бути простішим, ніж досі вважали.

Оригінальна ідея кротовини належить Альберту Айнштайну та його співавтору Натану Розену. Айнштайн і Розен намагались зрозуміти, що означають дивні рівняння, які, як ми тепер знаємо, описують чорні діри. Поверхня чорної діри, на їхню думку, могла б бути містком, який сполучає різні точки простору. Якщо чорну діру уявити собі як умивальник, то спостерігач, який потрапить у його злив, не зникне безповоротно, а появиться у такому самому умивальнику, але з іншого боку.

Існують, щоправда, дві проблеми. Першою є нестабільність кротовин. Згідно із загальною теорією відносності, гравітаційне притягання матерії, що проходить нею, мало б одразу її замкнути. Щоб цього не сталось, потрібне якесь зовнішнє екзотичне джерело енергії.

Друга проблема полягає в тому, що навіть якби таке джерело існувало, в кротовини однаково не могли б потрапляти макроскопічні об’єкти. Процеси, які мали б їх стабілізувати, досі вважали надто далекими від звичної фізики. Хоча великі кротовини є популярним сюжетом наукової фантастики, вчені десятиліттями не мали ідей про те, як такі об'єкти могли б з'являтися навіть на суто теоретичному рівні.

Прорив відбувся наприкінці 2017 р., коли фізики Рінґ Тао та Денієл Джафферіс, обидва з Гарвардського університету, та їхній колега Арон Волл з Інституту передових досліджень Прінстонського університету вказали на спосіб, як кротовини можуть відкриватися завдяки ефекту квантової сплутаності. Саме сплутані квантові стани можуть бути тим екзотичним інґредієнтом, який потрібен для стабілізації таких тунелів крізь простір. А оскільки явище сплутаності є стандартною частиною квантової фізики, то й кротовини, зі свого боку, теж повинні перейти зі світу письменників-фантастів у світ фізиків-теоретиків.

«Ця ідея справді блискуча», – вважає Набіл Ікбал, фізик із Даремського університету в Англії, який не брав участі в дослідженні. Хоча завдяки цьому явищу можуть виникати тільки мікроскопічні кротовини, ідея Тао та Джафферіса однаково надихнула цілу низку досліджень.

Ікбал та його колега з Даремського університету Саймон Росс висловили ідею про те, що турбулентності всередині магнітних полів чорної діри теоретично могли б породжувати стабільні кротовини. Щоправда, ці об’єкти однаково повинні бути мікроскопічними. Крім того, Ікбал і Росс вважають малоймовірним, що такі гіпотетичні процеси можуть відбуватися у реальності.

Ці науковці, однак, вказали на процес формування кротовин, який не потребує компонентів, що виходять за межі стандартної фізики. Хуан Мальсадена з Інституту передових досліджень у Прінстоні, який у 2013 р. першим запропонував пов’язати кротовини з квантовою сплутаністю, та його колега Алексєй Мілєхін висловили ідею про те, що загадкова темна матерія, яка наповнює Всесвіт, може поводитися у такий спосіб, який гіпотетично повинен провадити до появи великих кротовин. Щоправда, поки ніщо не вказує на те, що темна матерія справді має такі властивості. За словами Бріанни Ґрадо-Вайт, фізика з Брандейського університету, «у науковців обмежений інструментарій. За допомогою цього інструментарію вони можуть передбачати не все, що завгодно, а лише окремі речі».

Хоча наука поки не підтверджує, але й не спростовує існування кротовин, дослідження у цьому напрямі тривають. «Ми щораз більше переконуємося, що завдяки ефекту сплутаних квантових станів такі тунелі у просторі теоретично можуть існувати. Раніше кротовини вважали чистою фантастикою. Тепер, здається, це не така вже й фантастика», – резюмує Ґрадо-Вайт.