Мост во времени: как Эйнштейн и Розен ошиблись насчёт червоточин

Червоточины часто представляют себе как туннели сквозь пространство или время — shortcuts через Вселенную. Но этот образ основан на непонимании работы физиков Альберта Эйнштейна и Натана Розена.

В 1935 году, изучая поведение частиц в областях с экстремальной гравитацией, Эйнштейн и Розен представили то, что они назвали «мостом»: математическую связь между двумя идеально симметричными копиями пространства-времени. Это не задумывалось как путь для путешествий, а как способ сохранить согласованность между гравитацией и квантовой физикой. Только позже мосты Эйнштейна-Розена стали ассоциироваться с червоточинами, хотя это имело мало общего с первоначальной идеей.

Но в новом исследовании мы с коллегами показываем, что оригинальный мост Эйнштейна-Розена указывает на нечто гораздо более странное — и более фундаментальное, — чем червоточина.

Загадка, которую пытались решить Эйнштейн и Розен, никогда не касалась космических путешествий, а была о том, как квантовые поля ведут себя в искривленном пространстве-времени. При такой интерпретации мост Эйнштейна-Розена действует как зеркало в пространстве-времени: связь между двумя микроскопическими стрелами времени.

Квантовая механика управляет природой на мельчайших масштабах, таких как частицы, в то время как теория относительности Эйнштейна применяется к гравитации и пространству-времени. Примирение этих двух теорий остается одной из самых глубоких проблем физики. И, что интересно, наша новая интерпретация может предложить путь к этому.

Непонятое наследие

Интерпретация «червоточины» возникла спустя десятилетия после работы Эйнштейна и Розена, когда физики стали размышлять о возможности пересечь пространство-время с одной стороны на другую, особенно в исследованиях конца 1980-х годов.

Последние новости космоса, последние обновления о запусках ракет, наблюдениях за звездным небом и многое другое!

Но тот же самый анализ прояснил, насколько спекулятивной была эта идея: в рамках общей теории относительности такое путешествие запрещено. Мост смыкается быстрее, чем свет смог бы его преодолеть, делая его непроходимым. Таким образом, мосты Эйнштейна-Розена нестабильны и ненаблюдаемы — это математические структуры, а не порталы.

Тем не менее, метафора червоточины процветала в популярной культуре и спекулятивной теоретической физике. Идея о том, что черные дыры могут соединять отдаленные области космоса — или даже действовать как машины времени — вдохновила бесчисленное количество статей, книг и фильмов.

Однако не существует наблюдательных доказательств существования макроскопических червоточин, равно как и нет убедительных теоретических причин ожидать их в рамках теории Эйнштейна. Хотя для поддержки таких структур были предложены спекулятивные расширения физики — такие как экзотические формы материи или модификации общей теории относительности, — они остаются непроверенными и в высшей степени гипотетическими.

Две стрелы времени

Наша недавняя работа пересматривает загадку моста Эйнштейна-Розена, используя современную квантовую интерпретацию времени, опираясь на идеи, разработанные Сраваном Кумаром и Жуаном Марту.

Большинство фундаментальных законов физики не проводят различия между прошлым и будущим, или между левым и правым. Если время или пространство меняются местами в их уравнениях, законы остаются в силе. Серьезное отношение к этим симметриям приводит к иной интерпретации моста Эйнштейна-Розена.

Вместо туннеля через пространство, его можно понимать как два взаимодополняющих компонента квантового состояния. В одном время течет вперед; в другом — оно течет назад из своего зеркально отраженного положения.

Эта симметрия — не философское предпочтение. Как только бесконечности исключаются, квантовая эволюция должна оставаться полной и обратимой на микроскопическом уровне — даже при наличии гравитации.

«Мост» выражает тот факт, что обе временные компоненты необходимы для описания полной физической системы. В обычных ситуациях физики игнорируют обращенную во времени компоненту, выбирая единственную стрелу времени.

Но вблизи черных дыр, или в расширяющихся и коллапсирующих вселенных, оба направления должны быть включены для последовательного квантового описания. Именно здесь естественным образом возникают мосты Эйнштейна-Розена.

Решение парадокса информации

На микроскопическом уровне мост позволяет информации проходить через то, что нам кажется горизонтом событий — точкой невозврата. Информация не исчезает; она продолжает развиваться, но в противоположном, зеркальном временном направлении.

Эта структура предлагает естественное решение знаменитого парадокса исчезновения информации в черной дыре. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают тепло и могут в конечном итоге испариться, по-видимому, стирая всю информацию о том, что в них упало — что противоречит квантовому принципу, согласно которому эволюция должна сохранять информацию.

Парадокс возникает только в том случае, если мы настаиваем на описании горизонтов, используя одну, одностороннюю стрелу времени, экстраполированную до бесконечности — предположение, которого сама квантовая механика не требует.

Если полное квантовое описание включает оба направления времени, ничто на самом деле не теряется. Информация покидает наше временное направление и вновь появляется в обратном. Полнота и причинность сохраняются, без привлечения экзотической новой физики.

Эти идеи трудно понять, потому что мы — макроскопические существа, которые переживают только одно направление времени. В повседневных масштабах беспорядок — или энтропия — имеет тенденцию к увеличению. Высокоупорядоченное состояние естественным образом эволюционирует в неупорядоченное, и никогда наоборот. Это дает нам стрелу времени.

Но квантовая механика допускает более тонкое поведение. Интригует то, что доказательства этой скрытой структуры, возможно, уже существуют. Реликтовое излучение — послесвечение Большого взрыва — демонстрирует небольшую, но устойчивую асимметрию: предпочтение одной пространственной ориентации перед ее зеркальным отражением.

Эта аномалия озадачивает космологов уже два десятилетия. Стандартные модели приписывают ей чрезвычайно низкую вероятность — если только не включены зеркальные квантовые компоненты.

Отголоски предыдущей вселенной?

Эта картина естественным образом связана с более глубокой возможностью. То, что мы называем «Большим взрывом», возможно, было не абсолютным началом, а отскоком — квантовым переходом между двумя обращенными во времени фазами космической эволюции.

В таком сценарии черные дыры могли бы действовать как мосты не только между направлениями времени, но и между разными космологическими эпохами. Наша вселенная может быть внутренностью черной дыры, образовавшейся в другом, родительском космосе. Это могло произойти, когда замкнутая область пространства-времени коллапсировала, отскочила и начала расширяться, став вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Если эта картина верна, она также предлагает способ для проверки наблюдениями. Реликты из фазы до отскока — такие как меньшие черные дыры — могли бы пережить переход и вновь появиться в нашей расширяющейся вселенной. Некоторая часть невидимой материи, которую мы приписываем темной материи, на самом деле может состоять из таких реликтов.

В этом представлении Большой взрыв произошел из условий предшествовавшего сжатия. Червоточины не нужны: мост является временным, а не пространственным — и Большой взрыв становится вратами, а не началом.

Эта новая интерпретация мостов Эйнштейна-Розена не предлагает никаких коротких путей через галактики, никаких путешествий во времени и никаких научно-фантастических червоточин или гиперпространства. То, что она предлагает, гораздо глубже. Она предлагает последовательную квантовую картину гравитации, в которой пространство-время воплощает баланс между противоположными направлениями времени — и где наша вселенная, возможно, имела историю до Большого взрыва.

Это не ниспровергает теорию относительности Эйнштейна или квантовую физику — это завершает их. Следующая революция в физике, возможно, не позволит нам двигаться быстрее света, но она может открыть, что время, в глубине микромира и в пульсирующей вселенной, течет в обоих направлениях.

Это открытие заставляет нас по-новому взглянуть на саму природу реальности. Если время действительно может течь в двух направлениях на фундаментальном уровне, то наше восприятие линейной хронологии событий — всего лишь иллюзия, порожденная макроскопическими масштабами и ростом энтропии. В квантовом же мире прошлое и будущее переплетены, влияя друг на друга через эти «зеркальные мосты».

Представьте себе частицу, падающую в черную дыру. С нашей точки зрения, она исчезает навсегда, раздавленная сингулярностью. Но если применить новую интерпретацию, ее информация не уничтожается, а просто переходит в состояние с обратным течением времени. Для самой частицы это может ощущаться как продолжение существования, но в мире, где время движется вспять относительно нашего. Это не путешествие в прошлое в научно-фантастическом смысле, а скорее переход в иную временную фазу реальности.

Такая модель также проливает свет на природу темной материи и темной энергии. Те самые реликты досингулярной эпохи — микроскопические черные дыры или сгустки экзотической материи, «пережившие» отскок — могут быть тем самым недостающим компонентом гравитационного взаимодействия, который мы наблюдаем в галактиках. Более того, само ускоренное расширение Вселенной может быть отголоском той колоссальной энергии, которая высвободилась во время квантового перехода и «отскока», превратившего сжимающийся космос в расширяющийся.

Исследование показывает, что физикам, возможно, придется отказаться от поиска червоточин как пространственных туннелей и сосредоточиться на изучении времени как многомерной структуры. Вместо карты межзвездных путешествий, мост Эйнштейна-Розена дает нам ключ к пониманию того, как квантовая механика и общая теория относительности наконец-то могут стать двумя сторонами одной монеты — монеты, на которой выгравирован не пространственный маршрут, а временной цикл.