Механизмы локального расширения для кротовых нор квантового масштаба

От крошечных туннелей к космическим коротким путям

Представьте, что пространство и время не гладкие, а бурлят крошечными пузырьками и туннелями гораздо меньшими, чем атом. Физики называют такие гипотетические особенности квантовой пеной, и среди них могут скрываться ничтожные кротовые норы — короткие пути, соединяющие удалённые участки Вселенной. В этой статье рассматривается, могла бы управляемая вспышка локального расширения взять такую кротовую нору квантового масштаба и ненадолго раздувать её до размеров, сопоставимых с человеческим, превращая идею научной фантастики в точный мысленный эксперимент, основанный на общей теории относительности.

Почему кротовые норы требуют странной материи

Классические модели кротовых нор описывают туннель, соединяющий два удалённых, почти плоских региона пространства через узкую горловину. Чтобы такой туннель оставался открытым, уравнения общей теории относительности требуют материи с свойствами, не похожими ни на что в повседневном опыте: в некоторых областях она должна иметь отрицательную плотность энергии, нарушая стандартные энергетические условия, которые обычно гарантируют разумное гравитационное поведение. Однако известно, что квантовые поля порождают небольшие временные участки отрицательной энергии. Ранее высказывались предположения, что микроскопические кротовые норы могут формироваться на планковском масштабе, где важна квантовая гравитация, и что космическая инфляция в ранней Вселенной или искусственные пузыри в принципе могли бы раздуть их до макроскопических размеров.

Нежный пузырь в пространстве-времени

Авторы вводят новую игрушечную модель, которую называют локальным пузырём инфляции. Вместо того чтобы перестраивать всю Вселенную, эта конструкция расширяет лишь компактный, тщательно ограниченный регион иначе плоского пространства-времени. Математически пузырь описывается гладкой функцией, которая включает и выключает расширение как в пространстве, так и во времени без резких краёв. Снаружи всё выглядит как обычное пространство Минковского: на бесконечности не добавляется суммарная масса, не излучаются гравитационные волны и нет сингулярностей. Внутри расстояния временно растягиваются, световые конусы наклоняются, а лучи света и частицы, пытающиеся пересечь центр, сильно замедляются, образуя поверхности, где свет почти заморожен на короткое время.

Что стоит расширение крошечного региона

Используя такую управляемую установку, авторы вычисляют эффективный тензор напряжённости-энергии, необходимый для создания такого пузыря. Локально требуемая материя остаётся экзотической: обычные энергетические условия нарушаются, и отрицательные давления играют центральную роль. В то же время полная энергия, измеряемая на срезе постоянного времени статическими наблюдателями, остаётся неотрицательной, а все плотности энергии ограничены снизу, что перекликается с тем, как квантовая теория ограничивает величину отрицательной энергии. Команда затем подставляет численные оценки, чтобы выяснить, что потребуется, чтобы расширить участок пространства, изначально примерно в сто планковских длины, до масштабов метра. Даже при оптимистичных допущениях задействованная энергия сопоставима с энергией сверхновой или значительно превышает текущую глобальную выработку энергии, что указывает на то, что только цивилизация далеко превосходящая нашу могла бы надеяться сконструировать такой пузырь.

Размещение кротовой норы внутри пузыря

Следующий шаг — разместить стандартную проходимую модель кротовой норы полностью внутри инфлирующей области. В этой объединённой картине горловина норы раздувается вместе с окружающим пространством, потенциально поднимая туннель планковского масштаба до макроскопических размеров на протяжении жизни пузыря. Авторы показывают, что общая энергия этой конфигурации в некоторых режимах может становиться отрицательной, а обычные точечные энергетические условия остаются нарушенными. Тем не менее, поскольку профиль инфляционного пузыря можно формировать, они выделяют специальные варианты, при которых плотность энергии прямо в горловине кротовой норы становится положительной в активной фазе пузыря. Они также анализируют, как вклад отрицательной энергии от кротовой норы остаётся конечным и как её взаимодействие с пузырём изменяет общий энергетический баланс без введения расходимостей.

Что это означает для будущих мечтаний о кротовых норах

В итоге локальный пузырь инфляции представлен не как чертёж для создания машины времени, а как теоретическая лаборатория. Он показывает, что, по крайней мере на бумаге, можно сконструировать компактную, гладкую деформацию пространства-времени, которая усиливает кротовые норы квантового масштаба и другие крошечные структуры, не нарушая остальную Вселенную. Цена высока: требуются экзотические формы тензора напряжённости-энергии и колоссальная суммарная мощность, и остаются важные открытые вопросы о стабильности и совместимости с квантовыми энергетическими ограничениями. Пока эта работа проясняет, что допускает общая теория относительности и с какими препятствиями придётся столкнуться далёкой, гораздо более развитой цивилизации, чтобы превратить микроскопические туннели пространства-времени в пригодные для использования проходы.

Цитирование: Dorau, P., Much, A. Local expansion mechanisms for quantum-scale wormholes. Sci Rep 16, 16424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-54990-3

Ключевые слова: кротовые норы, квантовая пена, геометрия пространства-времени, экзотическая материя, космическая инфляция