Wormhole: historia, teoria, typy, trening, podróż w czasie

Tunel czasoprzestrzenny w astrofizyce i kosmologii to przejście łączące dwa punkty w strukturze czasoprzestrzeni. Tak jak spadające jabłko zainspirowało teorię grawitacji Izaaka Newtona w 1687 r., Robaki, które perforują jabłka, zainspirowały nowe teorie, także w ramach grawitacji.

Podobnie jak robakowi udaje się dotrzeć do innego punktu na powierzchni bloku przez tunel, dziury robaka czasoprzestrzennego są teoretycznymi skrótami, które umożliwiają podróż do odległych miejsc we wszechświecie w krótszym czasie.

Jest to idea, która uchwyciła i nadal oddaje wyobraźnię wielu. Tymczasem kosmolodzy są zajęci poszukiwaniem sposobów udowodnienia swojego istnienia. Ale w tej chwili nadal są przedmiotem spekulacji.

Aby przybliżyć się do zrozumienia tuneli czasoprzestrzennych, możliwości podróżowania w czasie przez nie i różnic, jakie istnieją między tunelami czasoprzestrzennymi a czarnymi dziurami, musimy postawić się w koncepcji czasoprzestrzeni.

Czym jest czasoprzestrzeń?

Pojęcie czasoprzestrzeni jest ściśle związane z pojęciem czasoprzestrzeni. Dlatego konieczne jest ustalenie najpierw, co to jest i jaka jest jego główna cecha.

Czasoprzestrzeń jest miejscem, w którym zachodzi każde wydarzenie we wszechświecie. A wszechświat z kolei jest całością czasoprzestrzeni, zdolną pomieścić wszystkie formy materii-energii i więcej ...

Kiedy chłopak spotyka dziewczynę, jest to wydarzenie, ale to wydarzenie ma pewne współrzędne przestrzenne: miejsce spotkania. I współrzędna czasowa: rok, miesiąc, dzień i godzina spotkania.

Narodziny gwiazdy lub eksplozja supernowej to także wydarzenia, które mają miejsce w czasoprzestrzeni.

Teraz, w obszarze wszechświata wolnym od masy i oddziaływań, czasoprzestrzeń jest płaska. Oznacza to, że dwa promienie świetlne, które zaczynają się równolegle, zachowują się w ten sposób, o ile pozostają w tym regionie. Nawiasem mówiąc, na promień światła czas jest wieczny.

Oczywiście czasoprzestrzeń nie zawsze jest płaska. Wszechświat zawiera obiekty o masie, które modyfikują czasoprzestrzeń, tworząc zakrzywienie czasoprzestrzenne w skali uniwersalnej.

To właśnie Albert Einstein uświadomił sobie, w chwili inspiracji, którą nazwał „najszczęśliwszym pomysłem w moim życiu”, że przyspieszony obserwator jest lokalnie nie do odróżnienia od kogoś, kto jest blisko masywnego obiektu. Jest to słynna zasada równoważności.

A przyspieszony czas obserwacji krzywej obserwatora, to znaczy geometria euklidesowa nie jest już ważna. Dlatego w środowisku masywnego obiektu, takiego jak gwiazda, planeta, galaktyka, czarna dziura lub sam wszechświat, czasoprzestrzeń jest zakrzywiona.

Ta krzywizna jest postrzegana przez ludzi jako siła zwana grawitacją, ale jednocześnie tajemnicza.

Grawitacja jest tak enigmatyczna jak siła, która popycha nas do przodu, gdy autobus, którym podróżujemy, nagle się zatrzymuje. To tak, jakby nagle coś niewidzialnego, ciemnego i masywnego przez chwilę stało przed nami i przyciągnęło nas, popychając nas nagle do przodu.

Planety poruszają się w kształcie eliptycznym wokół Słońca, ponieważ masa tego wytwarza depresję na powierzchni czasoprzestrzeni, która powoduje, że planety zakrzywiają swoje trajektorie. Promień świetlny również zakrzywia swoją trajektorię po depresji czasoprzestrzennej wytwarzanej przez Słońce.

Tunele w czasoprzestrzeni

Jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywioną powierzchnią, w zasadzie nic nie uniemożliwia obszarowi połączenia się z innym przez tunel. Podróżowanie przez taki tunel wiązałoby się nie tylko ze zmianą miejsc, ale także z możliwością podróży w innym czasie.

Pomysł ten zainspirował wiele książek, serii i filmów science fiction, w tym słynną amerykańską serię lat sześćdziesiątych „Tunel czasu”, a ostatnio „Deep Space 9” serialu Star Trek i film międzygwiezdny z 2014 roku.

Pomysł wyszedł od tego samego Einsteina, który poszukując rozwiązań równań terenowych Ogólnej Teorii Względności, znalazł u Nathana Rosena rozwiązanie teoretyczne, które pozwoliło połączyć dwa różne regiony czasoprzestrzeni przez tunel, który działał jako skrót.

Rozwiązanie to znane jest jako most Einsteina-Rosena i pojawia się w dziele opublikowanym w 1935 roku.

Jednak termin „tunel czasoprzestrzenny” został użyty po raz pierwszy w 1957 r. Dzięki fizykom teoretycznym Johnowi Wheelerowi i Charlesowi Misnerowi w publikacji w tym roku. Wcześniej mówiono o „rurach jednowymiarowych”, aby odnieść się do tego samego pomysłu.

Później w 1980 roku Carl Sagan pisał powieść science fiction „Kontakt”, książkę, z której później powstał film. Bohater Elly odkrywa inteligentne życie pozaziemskie w odległości 25 tysięcy lat świetlnych. Carl Sagan chciał, żeby Elly podróżowała tam, ale w sposób wiarygodny naukowo.

Podróż 25 tysięcy lat świetlnych stąd nie jest łatwym zadaniem dla człowieka, chyba że poszukiwany jest skrót. Czarna dziura nie może być rozwiązaniem, ponieważ zbliżając się do osobliwości, różnica grawitacji rozerwałaby statek i jego załogę.

W poszukiwaniu innych możliwości, Carl Sagan skonsultował się z jednym z głównych ekspertów ówczesnej czarnej dziury: Kipem Thorne, który zaczął myśleć o tej sprawie i zdał sobie sprawę, że mosty Einsteina-Rosena lub tunele czasoprzestrzenne Wheeler było rozwiązaniem.

Jednak Thorne zauważył również, że rozwiązanie matematyczne było niestabilne, to znaczy tunel otwiera się, ale w krótkim czasie dusi się i znika.

Niestabilność tuneli czasoprzestrzennych

Czy możliwe jest wykorzystanie tuneli czasoprzestrzennych do pokonywania dużych odległości w czasie i przestrzeni?

Odkąd zostały opracowane, tunele czasoprzestrzenne służyły w wielu fabułach science fiction, aby zabrać swoich bohaterów do odległych miejsc i doświadczyć paradoksów czasu nieliniowego.

Kip Thorne znalazł dwa możliwe rozwiązania problemu niestabilności tuneli czasoprzestrzennych:

• Poprzez tzw. Piankę kwantową . W skali Plancka (10-35 m) występują fluktuacje kwantowe zdolne do połączenia dwóch obszarów czasoprzestrzeni poprzez mikrotunele. Bardzo zaawansowana hipotetyczna cywilizacja mogłaby znaleźć sposób na poszerzenie przejść i utrzymanie ich wystarczająco długo, aby człowiek mógł przejść.
• Ujemna materia masowa. Według obliczeń opublikowanych w 1990 r. Przez samego Thorne'a, utrzymanie ogromnej ilości otwartego tunelu wormholowego zajęłoby ogromne ilości tej dziwnej materii.

Niezwykłą rzeczą w tym ostatnim rozwiązaniu jest to, że w przeciwieństwie do czarnych dziur nie ma zjawisk osobliwości ani zjawisk kwantowych, a przejście ludzi przez ten rodzaj tunelu byłoby możliwe.

W ten sposób tunele czasoprzestrzenne nie tylko pozwoliłyby na połączenie odległych regionów w przestrzeni, ale także oddzieliłyby się w czasie. Dlatego są maszynami do podróżowania w czasie.

Stephen Hawking, wielkie odniesienie do kosmologii z końca XX wieku, nie wierzył w wykonalne lub tunele czasoprzestrzenne z powodu wielu paradoksów i sprzeczności, które z nich wynikają.

Nie zmniejszyło to duchów innych badaczy, którzy sugerowali, że dwie czarne dziury w różnych obszarach czasoprzestrzeni są połączone wewnętrznie przez tunel czasoprzestrzenny.

Chociaż nie byłoby to praktyczne w podróżach w czasie i przestrzeni, ponieważ oprócz udręk, które doprowadziłyby do wejścia w osobliwość czarnej dziury, nie byłoby możliwości pozostawienia jej na drugim końcu, ponieważ jest to kolejna czarna dziura.

Różnice między czarnymi dziurami a tunelami czasoprzestrzennymi

Kiedy mówisz o tunelu czasoprzestrzennym, natychmiast myślisz także o czarnych dziurach.

Czarna dziura powstaje naturalnie po ewolucji i śmierci gwiazdy, która ma pewną masę krytyczną.

Powstaje po tym, jak gwiazda wyczerpuje swoje paliwo jądrowe i zaczyna się kurczyć nieodwracalnie z powodu własnej siły grawitacji. Trwa nieustannie, dopóki nie spowoduje takiego załamania, że ​​nie mniej niż promień horyzontu zdarzeń może uciec, nawet światło.

Dla porównania tunel czasoprzestrzenny jest zjawiskiem wyjątkowym, konsekwencją hipotetycznej anomalii w zakrzywieniu czasoprzestrzeni. Teoretycznie można przez nie przejść.

Gdyby jednak ktoś próbował przejść przez czarną dziurę, intensywna grawitacja i skrajne promieniowanie w bliskim sąsiedztwie osobliwości zamieniłyby go w cienką nić cząstek subatomowych.

Istnieją pośrednie dowody i tylko bardzo niedawno bezpośrednie dowody na istnienie czarnych dziur. Wśród tych dowodów znajduje się emisja i wykrywanie fal grawitacyjnych przez przyciąganie i obrót dwóch kolosalnych czarnych dziur wykrytych przez obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO.

Istnieją dowody na to, że w środku dużych galaktyk, takich jak nasza Droga Mleczna, znajduje się supermasywna czarna dziura.

Gwałtowna rotacja gwiazd w pobliżu centrum, jak również ogromna ilość promieniowania o wysokiej częstotliwości, która z niego emanuje, są pośrednimi dowodami na istnienie ogromnej czarnej dziury, która wyjaśnia obecność tych zjawisk.

Dopiero 10 kwietnia 2019 r. Ukazało się światu pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury (7000 milionów razy masy Słońca), znajdującej się w bardzo odległej galaktyce: Messier 87 w gwiazdozbiorze Panny, do 55 milionów lat świetlnych z Ziemi.

To zdjęcie czarnej dziury było możliwe dzięki światowej sieci teleskopów, zwanej „Event Horizon Telescope”, z udziałem ponad 200 naukowców z całego świata.

Z tuneli czasoprzestrzennych nie ma na razie żadnych dowodów. Naukowcy byli w stanie wykryć i śledzić czarną dziurę, jednak nie było to możliwe w tunelach czasoprzestrzennych.

Dlatego są to obiekty hipotetyczne, choć teoretycznie wykonalne, ponieważ kiedyś były także czarnymi dziurami.

Różnorodność / rodzaje tuneli czasoprzestrzennych

Chociaż nie zostały jeszcze wykryte, a może właśnie z tego powodu, wyobrażały sobie różne możliwości tuneli czasoprzestrzennych. Wszystkie są teoretycznie wykonalne, ponieważ spełniają równania Einsteina dla ogólnej teorii względności. Oto kilka:

• Tunele czasoprzestrzenne łączące dwa regiony czasoprzestrzenne tego samego wszechświata.
• Tunele czasoprzestrzenne zdolne do połączenia wszechświata z innym wszechświatem.
• Mosty Einsteina-Rosena, w których materia może przechodzić z jednego otworu do drugiego. Chociaż ten krok materii spowodowałby niestabilność, powodując zapadnięcie się tunelu.
• Wormhol Kip Thorne'a z kulistą skorupą o negatywnej masie. Jest stabilny i możliwy do ataku w obu kierunkach.
• Tak zwany tunel Schwarzschilda, składający się z dwóch statycznych czarnych dziur połączonych. Nie są ruchome, ponieważ materia i światło są uwięzione między obydwoma końcami.
• Tunele czasoprzestrzenne z obciążeniem i / lub obrotem lub Kerr, składające się z dwóch wewnętrznie połączonych dynamicznych czarnych dziur, przesuwnych w jednym kierunku.
• Kwantowa piana czasoprzestrzenna, której istnienie jest teoretyzowane na poziomie subatomowym. Pianka składa się z bardzo niestabilnych tuneli subatomowych, które łączą różne obszary. Aby je ustabilizować i rozwinąć, należałoby stworzyć plazmę kwarków i gluonów, co wymagałoby niemal nieskończonej ilości energii do ich wytworzenia.
• Niedawno, dzięki teorii strun, teoretyzowano na temat tuneli czasoprzestrzennych obsługiwanych przez kosmiczne struny.
• Czarne dziury przeplatają się, a następnie rozdzielają, z których wyłania się dziura czasoprzestrzenna lub most Einsteina-Rosena, który jest utrzymywany przez grawitację. Jest to teoretyczne rozwiązanie zaproponowane we wrześniu 2013 r. Przez fizyków Juana Maldacenę i Leonarda Susskinda.

Wszystkie są całkowicie możliwe, ponieważ nie są sprzeczne z równaniami Einsteina ogólnej teorii względności.

Czy można zobaczyć tunele czasoprzestrzenne pewnego dnia?

Przez długi czas czarne dziury były teoretycznymi rozwiązaniami równań Einsteina. Einstein sam zakwestionował możliwość, że ludzkość może je wykryć.

Przez długi czas czarne dziury pozostawały teoretyczną prognozą, dopóki nie zostały znalezione i zlokalizowane. Naukowcy mają taką samą nadzieję na tunele czasoprzestrzenne.

Jest bardzo możliwe, że oni też tam są, ale jeszcze nie nauczyli się ich lokalizować. Chociaż według najnowszej publikacji tunele czasoprzestrzenne pozostawiałyby ślady i cienie widoczne nawet za pomocą teleskopów.

Uważa się, że fotony poruszają się wokół tunelu czasoprzestrzennego, tworząc świetlny pierścień. Najbliższe fotony wchodzą do środka i zostawiają cień, który odróżnia je od czarnych dziur.

Według Rajibula Shaikha, fizyka z Instytutu Badań Podstawowych Tata w Mumbaju w Indiach, rodzaj obrotowego tunelu czasoprzestrzennego wytworzyłby większy i wypaczony cień niż czarna dziura.

W swojej pracy Shaikh badał teoretyczne cienie projektowane przez pewną klasę obrotowych tuneli czasoprzestrzennych, koncentrując się na kluczowej roli gardła dziury w tworzeniu cienia fotonu, który identyfikuje i odróżnia go od czarnej dziury.

Shaikh przeanalizował również zależność cienia od rotacji tunelu czasoprzestrzennego, a także porównał go z cieniem rzutowanym przez obracającą się czarną dziurę Kerr, znajdując znaczące różnice. To praca całkowicie teoretyczna.

Poza tym na razie tunele czasoprzestrzenne pozostają abstrakcjami matematycznymi, ale możliwe jest, że wkrótce będzie można je zobaczyć. Co jest na drugim krańcu, na razie pozostaje przedmiotem domysłów.