Гипотеза кротовых нор в общей теории
реклама
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. ЛОБАЧЕВСКОГО НАЦИОНАЛЬНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Реферат Исследование кротовых нор в общей теории относительности и их возможное влияние на эволюцию Вселенной. Выполнила: Мокеева Анна Алескеевна ([email protected]) Нижний Новгород 2012 Введение Вопрос топологии Вселенной является одним из современных вопросов теоретической физики. На сегодняшний день существует большой ряд работ, предлагающих те или иные модели для описания эволюции нашей Вселенной. Несмотря на то, что глобально пространство нашей Вселенной является плоским, но локально, согласно общей теории относительности, любая материя, расположенная в ней, в большей или меньшей степени искривляет ее. Особенно сильно этот эффект проявляется у черных дыр. Кротовая нора представляет собой «туннель» между двумя «входами» - частями пространства, где кривизна максимальна. Еще в середине 50-ых годов прошлого века американский ученый Джон Уилер высказал гипотезу, что наша Вселенная на ранней стадии вся состояла из таких «топологических ручек» и «туннелей» представляющие собой ни что иное как кротовые норы. Со времен «Большого взрыва» прошло более 14 млрд лет. Сегодня, говоря о большем взрыве, любой современный человек обязательно поинтересуется «Что было до большого взрыва?» или «Что было в том месте где большого взрыва не было?» «…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» - говорит в своем интервью директор Астрокосмического центра ФИАН, академик Николай Кардашев.[ссылка expert.ru] Такие вопросы приводят к предположению о теории так называемой многокомпонентной вселенной Согласно этой теории наше Вселенная состоит из бесконечного числа «больших взрывов», возникающих независимо друг от друга в разные моменты времени. В связи с этим Вселенная бесконечна, и в пространстве и во времени. В разных частях этой Вселенной могут быть свои законы, частицы и т.д. Данная теория тесно связана с мировой интерпретацией квантовой теории Эверетта [Бронников, с. 165, ссылки 128,144]. Как известно, в квантовой теории каждое событие имеет вероятностный характер и каждое из них может иметь разные исходы. Согласно Эверетту, все исходы реализуемы, но каждой в своей собственной вселенной. Поэтому в какой-то степени, ученые, развивающие это направление, являются последователями теории многих миров древнегреческого философа Эпикура. «… миры безграничны [по числу], как похожие на этот [наш мир], так и не похожие. Ибо атомы, число которых безгранично, как только что было доказано, несутся даже очень далеко. Ибо такие атомы, из которых может образоваться мир и которыми он может быть создан, не израсходованы ни на единый мир, ни на ограниченное число миров, как тех, которые таковы, [как наш], так и тех, которые отличны от них. Поэтому нет ничего, что препятствовало бы [признанию] безграничного числа миров» -писал он еще в 300-х годах до н.э Во избежание недоразумений с терминологией, в дальнейшем под словом «Вселенная» – будем понимать ту, часть многокомпонентной вселенной, в которой мы живем. Про остальные части многокомпонентной вселенной будем писать «вселенная» (со строчной буквы). При этом, подразумевая, что и наша Вселенная и другие вселенные являются частями одной большой многокомпонентной вселенной. Хорошо, пусть наша многокомпонентная вселенная состоит из бесконечного набора отдельных вселенных. Тогда, естественно задать себе вопрос – «Можем ли мы попасть из одной такой отдельной вселенной в другую?». И появление таких, пусть и гипотетических объектов, как кротовые норы, позволяют с определенной вероятностью ответить на этот вопрос положительно. Часть1 Пару слов о кротовых норах На сегодняшний день в общей теории относительности под кротовой норой понимают своеобразные «мосты», соединяющие две области одной вселенной или «туннели» соединяющие между собой различные вселенные. При этом геометрия самих пространств может быть абсолютно произвольной (рис.) Образно говоря, кротовые норы представляют собой определенного рода «порталы», входом в которые являются более изученные объекты – черные дыры. Но не наоборот, то есть не каждая черная дыра хранит в своих «недрах» такой «портал». Первые предпосылки к изучению кротовых нор Первые предпосылки к изучению таких объектов как кротовые норы появились параллельно со становлением общей теории относительности Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство-время искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя и чем она плотнее, тем сильнее искривляет его. В 1916 году, то есть, через год после основания общей теории относительности, австрийский физик Л. Фламм [ссылка 41] опубликовал работу, в которого вел речь о возможности существования пространственной геометрии типа норы, которая бы соединяла два мира. После, Эйнштейн совместно со своим учеников Н. Розеном [ссылка 35] попытались использовать это решение для описания как модель для описания элементарных частиц. Идея заключалось в том, чтобы представить электрон в виде «сшивки» двух черных дыр (рис.). Это позволило бы общей теории относительности решать задачи квантового мира. Однако позже было показано, что мост Эйнштейна-Розена представляет собой не что иное, как уже на тот момент известное решение Шврадшильда, описывающую черную дыру в специально выбранных координатах. Основоположником термина «wormhole», что в переводе с английского означает «червоточина», является американский физик Джон Уилер [ссылка 143], изучающий пространства с такими объектами в 50-х годах XX века. Однако дословный перевод этого термина не прижился в современной науке и на сегодняшний день общепринято говорить просто «кротовая нора». Согласно Уилеру пространство перед началом Большого взрыва представляло собой пенообразную структуру сверхплотного скалярного поля (сверхплотный вакуум с очень большой плотностью энергии) с очень большой кривизной и с очень большими ее флуктуация. И все эти ячейки пены были соединены. То есть на ранней стадии все наше пространство было набито «кротовыми норами». И соответственно после большого взрывы эти ячейки могут остаться соединенными между собой. Эти рассуждения привели Уилера к идее объяснить классическую физику (электромагнетизм и гравитацию) как проявление нетривиальной топологии пространства. Тем самым, внедрив такие понятия как «заряд без заряда» и «масса без массы». Имея в виду тот факт, что сами топологические свойства пространства проявляют себя как заряд и масса (т.к. согласно уравнению Эйнштейна не только материя определяет геометрию пространства, но и наоборот). Проходимые кротовые норы Однако значительный интерес к таким объектам возник после работы Морриса и Торна [ссылка 98], где авторы отметили возможность использовать кротовые норы в качестве кратчайших путей перемещения во Вселенной. То есть, физические объекты могли переместиться через такую кротовую нору за ограниченное время. Такие кротовые норы получили название проходимых кротовых нор. Как уже было сказано ранее, мы можем рассматривать уравнения Эйнштейна не только в одну сторону (материя формирует геометрию пространства), но и в другую. Этим способом и воспользовались авторы в своей работе [ссылка 98 ] Они спросили себя «Каким условиям должно удовлетворять материя, порождающая такую проходимую кротовую нору? » и получили ответ на этот вопрос. Как оказалось, что для того, чтобы проходимая кротовая нора существовала в пространстве, необходимо, чтобы материя, которая ее формирует, отвечала ряду интересных требований. В частности, для тензора энергии-импульса такой материи должно нарушаться световое энергетическое условие, которое, как правило, выполняется для классических форм материй. Эта особенность поставила в тупик дальнейшие исследования, так как на тот момент не было достаточных теоретических и экспериментальных обоснований в пользу «экзотического» вещества во Вселенной. Однако, стоит заметить тот факт, что в квантовой теории поля, такое нарушение энергетических условий имеет место быть [ссылки 39, 145, 19, 74].Например, экспериментально подтвержденный эффект Казимира, проявляющийся при взаимодействии в вакууме двух проводящих пластин. Таким образом, сама природа вещества в пространстве с кротовой норой осталась загадкой, но появилась вероятность понять этот вопрос с точки зрения квантовой теории поля. Этому вопросу так же посвящен ряд работ, например, [ссылки 58,7,135] На сегодняшний день вопрос изучения таких объектов как кротовые норы приобрел особый интерес, в связи открытием ускоренного расширения нашей Вселенной [ссылки 113,107,108]. Одним из возможных вариантов объяснения такого ускоренного расширения Вселенной является наличие в ней так называемой темной энергии, которая обладает отрицательным давлением, нарушая энергетическое условие, и, как следствие, является хорошим «материалом» для образования в нашем пространстве кротовых нор. Часть 2 Кротовая нора как машина времени. Часть 3 Как увидеть кротовые норы? Заключение
