Исследовательский проект по астрономии "Кротовые норы космосе"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Березовская средняя общеобразовательная школа

Карачевского района Брянской области

Тема исследовательской работы:

«Кротовые норы в космосе»

Предметное направление: астрономия

Номинация: Безграничные тайны космоса

Ф.И.О. автора:

Хромова Анастасия Сергеевна, 10 класс

Руководитель: Карсекина Ольга Владимировна,

учитель физики (астрономии) и математики

МБОУ Березовская СОШ Карачевского района

п. Березовка

2020 год

Содержание:

1. Введение. Актуальность вопроса

Однажды, когда я была маленькой, мой папа смотрел по телевидению художественный фильм «Звездные врата», и как любопытный маленький ребенок, я с первых же кадров заинтересовалась происходящим на экране. Прошло уже около 10 лет, а сюжет до сих пор остался в моей памяти, т. к. способ перемещения во Вселенной был ясным и понятным и объяснял, как можно забыть про «скорость света» при перемещениях на огромные расстояния.

Сейчас мы живем в такое время, что любую информацию можно найти в Интернете. Но я считаю, что настоящие книги не должны отходить на второй план. Первой книгой по астрономии для меня была Энциклопедия по астрономии, которую я взяла в школьной библиотеке. В ней я и столкнулась впервые с темой моего проекта. С ней оказалось связано немало занимательных понятий из астрономии и физики. Так я начала изучать «кротовые норы» и все, что с ними связано.

Поэтому цель данной работы: познакомить вас с понятием «кротовые норы», использование которых будет служить новым этапом в научно-техническом прогрессе.

Тема космоса является одной из самых неизученных областей человеческой жизни. У ученых всегда возникает много вопросов, решить которые пока что трудно или вообще не представляется возможным.

В последние годы в средствах массовой информации появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых “кротовыми норами”. Более того, проскакивают сообщения о наблюдательном обнаружении таких объектов. К сожалению, большинство этих сообщений очень далеки от истины, более того, даже понятие о таких “кротовых норах” часто не имеет ничего общего с тем, что принято называть “кротовыми норами” в астрофизике.

Цель данной работы:

изучить понятие «кротовая нора», перспективы её использования в науке и жизни человека.

Задачи:

1.Изучить литературу по данному вопросу;

2.Собрать материал по теории;

3.Найти примеры и доказательства по этой теме;

4.Выяснить значение незнакомых терминов;

5.Проанализировать полученные результаты исследований и сделать собственные выводы.

1. История вопроса

Еще в 1916 году Эйнштейн высказывал предположение о существовании подобных явлений в космосе. Согласно исследованиям великого физика, кротовина – это способ пронзания пространства и времени таким образом, что возможно объединить две точки в космосе вместе, мгновенно переместившись из одной в другую, оказавшись за миллиарды световых лет от места старта.

Научно-обоснованная теория “кротовых нор” зародилась в астрофизике еще в 1935 году вместе с пионерской работой Эйнштейна и Розена. Но в той работе “кротовая нора” была названа авторами “мостом” между различными частями Вселенной. Ученые вывели математически выявили возможность существования кротовых нор (червоточин).

Попав в одну область входа червоточины, мгновенно объект окажется в области выхода. Раньше считалось, что пространство несгибаемое. Но после Общей относительности Эйнштейна оказалось, пространство искажается от воздействия массивных объектов.

Рисунок 1.

Англоязычным термином, который с 90-ых годов прижился для “кротовых нор” стал “wormhole” (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер (это тот самый Уилер, который считается “отцом” американской водородной бомбы). На русский язык “wormhole” переводится как “червячная дыра”. Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. В результате этого голосования победил термин “кротовая нора”.

Рисунок 2. Наглядное изображение кротовых нор. Вместо длинного путешествия между двумя точками кротовые норы связывают эти точки кратчайшим образом. Изображение взято с сайта «https://www.popmech.ru»

Более того, согласно утверждению Эйнштейна, любая чёрная дыра — это кротовая нора. Подобного мнения придерживается ученый и исследователь Пабло Буэно. По его мнению, можно соотнести понятие червоточины и черной дыры. Его группе удалось зафиксировать гравитационные волны, исходящие от дыр, которые могут быть неправильно понятыми видами кротовых нор. И если ученым удастся поймать эхо в этих сигналах, это будет означать, что можно будет смело отменять существование черных дыр.

Буэно также считает, что так как у кротовых нор отсутствует горизонт событий, то они представляют собой пространственно-временной коридор, по которому действительно можно спокойно перемещаться, в конце концов попав в абсолютно другую Вселенную. Что такое горизонт событий? Для примера можно представить вид из окна многоэтажки, где не видно происходящее вне горизонта. Следовательно, оказавшись в черной дыре, невозможно рассмотреть, что творится внутри ее границ.

1. Так что же принято называть кротовой норой?

Можно дать разные определения кротовым норам, но общим для всех определений является свойство, согласно которому кротовая нора должна соединять между собой две неискривленных области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок – горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено.

Кротовая нора может соединять либо две разные вселенные, либо одну и ту же вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору (между входами в нее) может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи (хотя это вовсе и необязательно).

Стоит ввести обозначение термина «вселенная» - часть пространства- времени, которое ограничено входами в кротовые норы и в черные дыры. Слово «вселенная» -пространство-время, ничем не ограниченное.

Строго говоря, понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать. Речь идет о собственном времени, измеряемым наблюдателем, который свободно двигается (без ракетных или каких-либо других двигателей) почти со световой скоростью.

Кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны называются проходимыми кротовыми норами. Исходя из слова “проходимые” напрашивается вопрос: а есть-ли непроходимые кротовые норы? Да – есть. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как-бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).

Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Более того, могут быть еще и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.

Рисунок 3. Схематичное изображение искривления двумерного пространства. Цифрами обозначены последовательные стадии перехода: от стадии неискривленного пространства (1) до стадии двумерной кротовой норы (7).

Как понять в какую сторону будет искривление?

Искривление будет одинаково для любой плоскости, проведенной через точку “O”, а направление тут не при чем. Само геометрическое свойство пространства меняется так, что и отношение длины окружности к радиусу меняется также! Некоторые ученые считают, что искривление пространства происходит в направлении нового (четвертого) измерения. Но сама теория относительности не нуждается в дополнительном измерении, ей хватает трех пространственных и одного временного измерения. Обычно временному измерению приписывают индекс нуль, а пространство-время обозначают как 3+1.

Рисунок 4.
Схематичное изображение искривления двумерного пространства в двумерной кротовой норе. Показано падение двумерного объекта (круга) на двумерную кротовую нору.

Чтобы ответить на этот вопрос обратимся к двумерной аналогии – см. рисунок 4.

Предположим, что тело является двумерной фигурой (рисунок, вырезанный из бумаги или другого материала), и этот рисунок скользит по поверхности, которая является воронкой. Причем скользит наш рисунок в направлении горловины воронки так, что прижимается к поверхности воронки всей своей поверхностью. Очевидно, что по мере приближения рисунка к горловине кривизна поверхности воронки нарастает, и поверхность рисунка начинает деформироваться в соответствии с формой воронки в данном месте рисунка. Наш рисунок (хоть он и бумажный), так же как и любое физическое тело обладает свойствами упругости, которые препятствуют его деформации.

В то же время материал рисунка оказывает физическое воздействие на материал, из которого сделана воронка. Можно сказать, что и воронка, и рисунок воздействуют силами упругости друг на друга.

Далее в принципе возможны четыре варианта:

1. Рисунок деформируется настолько, что проскочит через воронку, при этом он может и разрушиться (разорваться).
2. Рисунок и воронка деформируются недостаточно, чтобы рисунок проскочил (для этого нужно, чтобы рисунок имел достаточно большие размеры и прочность). Тогда рисунок застрянет в воронке и перекроет ее горловину для других тел.
3. Рисунок (точнее материал рисунка) разрушит (разорвет) материал воронки, т.е. такая двумерная кротовая нора будет разрушена.
4. Рисунок проскочит мимо горловины воронки (возможно задев ее при этом своим краем). Но это будет только в том случае, если вы недостаточно точно прицелили ваш рисунок на направление горловины.

Эти же четыре варианта возможны и для падения трехмерных физических тел в трехмерные кротовые норы. Вот так иллюзорно, на примере игрушечных моделей, можно описать кротовую нору в виде тоннеля без стенок.

Рисунок 5. (рисунок взят из книги А.Д. Линде “Инфляционная космология”) 
Слева – модель хаотической инфляционной многоэлементной Вселенной без кротовых нор, справа – тоже, но с кротовыми норами.

Сегодня модель “хаотической инфляции” является основой современной космологии. Эта модель работает в рамках теории Эйнштейна и предполагает существование (кроме нашей) бесконечного количества других вселенных, возникающих после “большого взрыва”, образуя во время “взрыва” так-называемую “пространственно-временную пену”. Первые мгновения во время и после этого “взрыва” и являются основой модели “хаотической инфляции”.

В эти мгновения могут возникать первичные пространственно-временные тоннели (кротовые норы), которые, вероятно, сохраняются и после инфляции. Далее эти кротовые норы связывают различные районы нашей и других вселенных. Таким образом, эта модель открывает уникальную возможность исследования многоэлементной Вселенной и обнаружения нового типа объектов -– входов в кротовые норы.

Топология и кротовые норы

Кротовые норы могут соединять разные участки одной и той же вселенной или соединять разные вселенные. Как ни странно, но второй случай (соединения разных вселенных) оказывается математически гораздо более простым, чем случай соединения в одной и той же вселенной. Связано это вот с чем: математически гораздо проще описывать симметричную модель, чем модель с нарушенной симметрией.

Рисунок 6. (рисунок взят из Интернета) 
Схематичное изображение двух разных топологий кротовых нор: слева – топология сферы и справа – топология тора.

Топология изучает свойства пространств разных типов.

Как должна выглядеть кротовая нора в мощный телескоп

Если кротовая нора является непроходимой, то отличить ее от черной дыры будет очень непросто. Зато если она проходима, то через нее можно наблюдать объекты и звезды в другой вселенной.

Рисунок 7.
На левой панели показан участок звездного неба, наблюдаемый через круглое отверстие в одной и той же вселенной (1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд). На средней панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через статичную кротовую нору (1 миллион разных изображений от 210 069 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной). На правой панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через черно-белую дыру (1 миллион разных изображений от 58 892 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной).

Рассмотрим простейшую (гипотетическую) модель звездного неба: на небе есть достаточно много одинаковых звезд, и все эти звезды равномерно распределены по небесной сфере. Тогда картина этого неба, наблюдаемая через круглое отверстие в одной и той же вселенной, будет такая, как показано на левой панели рисунка 7. На этой левой панели видно 1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд, поэтому изображение кажется почти однородным круглым пятном.

Если же мы наблюдаем такое же звездное небо (в другой вселенной) через горловину кротовой норы (из нашей вселенной), то картина изображений этих звезд будет выглядеть примерно так, как показано на центральной панели рисунка 7.

На правой панели рисунка 7 – аналогичная предыдущему случаю картина звездного неба другой вселенной, но наблюдаемая в нашей вселенной через черно-белую дыру.
Обратим внимание, что за счет эффектов, называемых в астрофизике гравитационным рассеянием, видимые нам на средней и правой панели рисунка 9 звезды меняют свою яркость (несмотря на то, что все они одинаковые и равномерно-распределены в другой вселенной) в зависимости от угла (по отношению к направлению на центр кротовой норы), под которым эти звезды видимы нам. Кроме этого, эффекты гравитационного рассеяния изменяют и среднюю плотность звезд вблизи конкретной точки. Причем изменение видимой яркости и средней плотности звезд оказываются связаны друг с другом: произведение видимой яркости на среднюю плотность звезд оказывается константой (не зависящей от угла).

1. Заключение. Почему это необходимо изучать?

Сегодня общая теория относительности является основой стандартной модели космологии, но ученые до конца еще не уверены в справедливости этой теории и этой модели для всех явлений космоса. Так вот, лишний раз подтвердить эти предположения (или их опровергнуть) можно только на космологических (вселенских) масштабах или с помощью изучения физических эффектов вблизи самой границы черных дыр или кротовых нор. Эта часть науки о космосе называется ультрарелятивистской астрофизикой.

Открытие «кротовых нор» - новая эра в физике и астрономии. Знания об этих объектах позволит людям бывать в других Вселенных, изучить структуру Материи, окружающий нас мир. Я уверена, она может привести в итоге к новой физике, к качественно новым теориям гравитации.

Во-вторых, черные дыры (черно-белые дыры) являются одним из основных источников энергии в активных ядрах галактик во Вселенной. В частности, это основные источники, дающие энергию для квазаров. То есть, материя из аккреционного диска вокруг центральной в галактике сверхмассивной черной дыры засасывается внутрь, при этом в результате сложных и разнообразных промежуточных процессов выделяется энергия, часть которой мы наблюдаем в виде светящейся струи от квазара (джета).

Необыкновенный объект космоса «черная дыра», связанный с «кротовой норой» должен быть изучен для понимания и практического использования человеком.

В-третьих, черные дыры и кротовые норы, возможно, является единственным типом объектов с нетривиальной топологией, которые связывают нашу Вселенную с другими вселенными, а также могут быть причиной существования сингулярностей. При этом без изучения черных дыр невозможно изучение и кротовых нор.

1. Литература и использованные материалы.

1. А. Шацкий «Черные дыры и кротовые норы»

2. А.Д. Линде «Инфляционная космология»,

3. Ст. Хокинг «Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной»

4. А.Н. Петров «Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор»

5. Дж. Фаулнз «Кротовые норы»

6. Интернет - ресурсы

1. Приложения

Рисунок 1.

Рисунок 2. Наглядное изображение кротовых нор. Вместо длинного путешествия между двумя точками кротовые норы связывают эти точки кратчайшим образом. Изображение взято с сайта «https://www.popmech.ru»

Рисунок 3. Схематичное изображение искривления двумерного пространства. Цифрами обозначены последовательные стадии перехода: от стадии неискривленного пространства (1) до стадии двумерной кротовой норы (7).

Рисунок 4.
Схематичное изображение искривления двумерного пространства в двумерной кротовой норе. Показано падение двумерного объекта (круга) на двумерную кротовую нору.

Рисунок 5. (рисунок взят из книги А.Д. Линде “Инфляционная космология”) 
Слева – модель хаотической инфляционной многоэлементной Вселенной без кротовых нор, справа – тоже, но с кротовыми норами.

Рисунок 6. (рисунок взят из Интернета) 
Схематичное изображение двух разных топологий кротовых нор: слева – топология сферы и справа – топология тора.

Рисунок 7.
На левой панели показан участок звездного неба, наблюдаемый через круглое отверстие в одной и той же вселенной (1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд). На средней панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через статичную кротовую нору (1 миллион разных изображений от 210 069 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной). На правой панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через черно-белую дыру (1 миллион разных изображений от 58 892 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной).

1