Kosmiczny epos Interstellar (film science fiction wydany w październiku 2014 roku) opowiada historię astronautów, którzy w poszukiwaniu możliwości ocalenia ludzkości odkrywają „drogę życia” reprezentowaną przez tajemniczy tunel.
To przejście w niewytłumaczalny sposób pojawia się w pobliżu Saturna iw czasoprzestrzeni przenosi człowieka do odległej galaktyki, dając tym samym szansę na znalezienie planet zamieszkanych przez żyjące istoty. Planety, które mogą stać się drugim domem dla ludzi.
Hipoteza o istnieniu kinowego tunelu, zwanego przez naukowców „wormholem” lub „wormholem”, została poprzedzona prawdziwą teorią fizyczną, którą zaproponował jeden z pierwszych astrofizyków i były profesor Kalifornijskiego Instytutu Technologii Kip Thorne.
Kip Thorne pomagał również astronomowi, astrofizykowi, popularyzatorowi nauki i jednemu z tych, którzy zainicjowali projekt poszukiwań pozaziemskiej inteligencji - Carlowi Saganowi - w stworzeniu modelu tunelu czasoprzestrzennego do jego powieści Kontakt. Przekonujące efekty wizualne filmu dla naukowców zajmujących się kosmosem są tak oczywiste, że astrofizycy przyznają, że są to być może najdokładniejsze obrazy tuneli czasoprzestrzennych i czarnych dziur w światowym kinie.
W tym filmie jest tylko jeden „mały” szczegół, który nawiedza uważnego widza: latanie w takim ekspresie kosmicznym jest oczywiście świetne, ale czy piloci będą w stanie utrzymać dąb podczas tego międzygwiezdnego ruchu?
Twórcy kosmicznego przeboju woleli nie wspomnieć, że pierwotna teoria tuneli czasoprzestrzennych należała do innych czołowych teoretyków astrofizyki - zapoczątkował ją Albert Einstein wraz ze swoim asystentem Nathanem Rosenem. Naukowcy ci próbowali rozwiązać równania Einsteina dla ogólnej teorii względności, tak aby w rezultacie powstał matematyczny model całego wszechświata wraz z siłami grawitacji i cząstkami elementarnymi, które tworzą materię. Przy tym wszystkim podjęto próbę wyobrażenia sobie przestrzeni jako dwóch płaszczyzn geometrycznych połączonych ze sobą „mostami”.
Równolegle, ale niezależnie od Einsteina, podobną pracę prowadził inny fizyk - Ludwig Flamm, który w 1916 roku, również rozwiązując równania Einsteina, dokonał odkrycia takich „mostów”.
Film promocyjny:
Wszyscy trzej „Mostostroewici” przeżyli ogólne rozczarowanie, ponieważ „teoria wszystkiego, co istnieje” okazała się nieopłacalna: takie „mosty” w teorii działały inaczej niż rzeczywiste cząstki elementarne.
Niemniej jednak w 1935 roku Einstein i Rosen opublikowali pracę, w której przedstawili własną teorię tuneli w kontinuum czasoprzestrzennym. Praca ta, zgodnie z koncepcją autorów, miała oczywiście skłonić inne pokolenia naukowców do refleksji nad możliwością zastosowania takiej teorii.
Tunele czasoprzestrzenne Wheelera
Pewnego razu fizyk z Princeton University John Wheeler wprowadził do obiegu słów określenie „wormhole”, które przez wiele lat było używane do badania budowy modeli „mostów” według teorii Einsteina-Rosena. Wheeler zauważył: ten „most” boleśnie przypomina ruch przegryziony przez robaka w owocu. Wyobraź sobie mrówkę pełzającą z jednej strony gruszki na drugą - jest w stanie albo czołgać się po całej zakrzywionej powierzchni, albo, skracając ścieżkę, przeciąć owoc przez tunel czasoprzestrzenny.
A jeśli wyobrazimy sobie, że nasze trójwymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne jest skórką gruszki, która niczym zakrzywiona powierzchnia obejmuje „masę” o znacznie większych wymiarach? Być może „most” Einsteina-Rosena jest właśnie tym tunelem, który przecina tę „masę”, pozwala pilotom statków kosmicznych zmniejszyć odległość w przestrzeni między dwoma punktami. Prawdopodobnie w tym przypadku mówimy o prawdziwym matematycznym rozwiązaniu ogólnej teorii względności.
Według Wheelera, ujścia „mostów” Einsteina-Rosena bardzo przypominają tak zwaną czarną dziurę Schwarzschilda - prostą materię o kulistym kształcie i tak dużej gęstości, że siły przyciągania nie można pokonać nawet światłem. Astronomowie mocno wierzą w istnienie „czarnych dziur”. Uważają, że te formacje powstają, gdy bardzo masywne gwiazdy „zapadają się” lub giną.
Jak dobrze ugruntowana jest hipoteza, że „czarna dziura” to to samo, co „tunel czasoprzestrzenny” lub tunel, który umożliwia dalekie podróże w kosmos? Może z punktu widzenia matematyki to stwierdzenie jest prawdziwe. Ale tylko w teorii: z takiej wyprawy nikt nie przeżyje.
Model Schwarzschilda przedstawia ciemny środek „czarnej dziury” jako pojedynczy punkt lub centralną neutralną nieruchomą kulę o nieskończonej gęstości. Obliczenia Wheelera pokazują konsekwencje tego, co się wydarzyło w przypadku powstania takiego „tunelu czasoprzestrzennego”, gdy dwa osobliwe punkty („czarne dziury” Schwarzschilda) w dwóch odległych częściach Wszechświata zbiegają się w swojej „masie” i tworzą między nimi tunel.
Naukowiec odkrył: taki "tunel czasoprzestrzenny" ma niestabilną naturę: tunel jest najpierw formowany, a następnie zapada się, po czym ponownie pozostają tylko dwa osobliwe punkty ("czarne dziury"). Procedura pojawiania się i zamykania tunelu jest tak błyskawiczna, że nawet promień światła nie może przez niego przeniknąć, nie mówiąc już o próbie prześlizgnięcia się przez astronautę - zostanie pochłonięty przez „czarną dziurę”. Bez żartów - mówimy o natychmiastowej śmierci, ponieważ siły grawitacyjne szalonej mocy rozerwą człowieka na strzępy.
„Czarne dziury” i „białe plamy”
Thorne równocześnie z filmem wydał książkę „Naukowe podstawy filmu„ Międzygwiezdny”. W tej pracy potwierdza:„ Każde ciało - żywe czy nieożywione - w momencie zawalenia się tunelu zostanie zmiażdżone i rozerwane na kawałki!”
Inny, alternatywny wariant - wirująca „czarna dziura” Kerra - badacze „białych plam” w podróżach międzyplanetarnych znaleźli inne rozwiązanie niż ogólna teoria względności. Osobliwość wewnątrz „czarnej dziury” Kerra ma inny, nie kulisty, ale pierścieniowy kształt.
Niektóre jej modele mogą dać człowiekowi szansę na przeżycie w locie międzygwiezdnym, ale tylko wtedy, gdy statek przepłynie przez tę dziurę wyłącznie przez środek pierścienia. Coś jak kosmiczna koszykówka, tylko koszt trafienia tutaj nie jest dodatkowymi punktami: stawką jest istnienie statku kosmicznego wraz z jego załogą.
Kip Thorne, autor The Scientific Basics of Interstellar, wątpi w stan tej teorii. W 1987 roku napisał artykuł o przelocie przez tunel czasoprzestrzenny, w którym zwraca uwagę na ważny szczegół: gardziel tunelu Kerra ma bardzo zawodną sekcję, która nazywa się „ horyzont Cauchy'ego”.
Jak pokazują odpowiednie obliczenia, gdy tylko ciało próbuje przejść przez ten punkt, tunel zapada się. Co więcej, pod warunkiem pewnej stabilizacji „tunelu czasoprzestrzennego”, jak mówi teoria kwantowa, zostanie on natychmiast wypełniony szybkimi cząstkami o wysokiej energii.
Dlatego też, kiedy wbijasz się w „czarną dziurę” Kerra, pozostanie po tobie sucha tostowa skorupa.
Powód - „niesamowita akcja na odległość”?
Faktem jest, że fizycy nie przystosowali jeszcze klasycznych praw grawitacji do teorii kwantowej - ta gałąź matematyki jest zbyt trudna do zrozumienia, a wielu naukowców nie podało jej jeszcze dokładnej definicji.
W tym samym czasie naukowiec z Princeton Juan Malsadena i jego kolega ze Stanford, Leonard Susskind, zasugerowali, że tunele czasoprzestrzenne to nic innego jak materialne ucieleśnienie splątania w czasie, gdy obiekty kwantowe łączą się - niezależnie od tego, czy są od siebie oddalone. przyjaciel.
Albert Einstein miał własne imię na takie splątanie - „przerażające dalekosiężne działanie”, wielki fizyk nie zgodził się z ogólnie przyjętym punktem widzenia. Mimo to wiele eksperymentów dowiodło istnienia splątania kwantowego. Co więcej, jest już używany w celach komercyjnych - chroni transmisję danych online, np. Transakcje bankowe.
Według Malsadena i Susskind, splątanie kwantowe w dużych ilościach może wpływać na zmianę geometrii kontinuum czasoprzestrzennego i przyczyniać się do powstawania „tuneli czasoprzestrzennych” w postaci splątanych „czarnych dziur”. Ale hipoteza tych naukowców nie pozwala na utworzenie przejezdnych tuneli międzygwiazdowych.
Zdaniem Malsadeny tunele te z jednej strony nie pozwalają na szybsze latanie niż prędkość światła, az drugiej mogą pomóc astronautom wciąż tam spotkać się w środku z kimś „innym”. Jednak takie spotkanie nie daje przyjemności, gdyż po nim nastąpi nieuchronna śmierć w wyniku uderzenia grawitacyjnego w centrum „czarnej dziury”.
Jednym słowem, „czarne dziury” są prawdziwą przeszkodą w eksploracji kosmosu przez człowieka. W takim razie czym mógłby być tunel czasoprzestrzenny? Według naukowca z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics Avi Loeb, ludzie mają wiele opcji w tej kwestii: ponieważ nie ma teorii łączącej ogólną teorię względności z mechaniką kwantową, nie jesteśmy świadomi całego zestawu możliwych struktur czasoprzestrzennych, w których mogą pojawić się tunele czasoprzestrzenne.”.
Upadają
Ale także tutaj nie wszystko jest takie proste. Ten sam Kip Thorne w 1987 roku ustalił dla każdego „tunelu czasoprzestrzennego” cechę odpowiadającą ogólnej teorii względności, która zapada się, jeśli nie próbuje się go otworzyć z powodu tak zwanej materii egzotycznej, która ma ujemną energię lub antygrawitację. Thorne zapewnia: istnienie egzomaty można ustalić eksperymentalnie.
Eksperymenty pokażą, że fluktuacje kwantowe w próżni są oczywiście zdolne do wytworzenia podciśnienia między dwoma zwierciadłami, które są umieszczone bardzo blisko.
Z kolei zdaniem Avi Loeba, jeśli zaobserwujesz tzw. Ciemną energię, to badania te dadzą jeszcze więcej powodów, by wierzyć w istnienie egzotycznej materii.
Naukowiec z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics mówi, że „… widzimy, jak na przestrzeni najnowszej historii kosmicznej galaktyki oddalają się od nas z prędkością, która rośnie w czasie, tak jakby podlegały działaniu antygrawitacji - takie przyspieszające rozszerzanie się Wszechświata można wyjaśnić, jeśli Wszechświat jest wypełniony substancją o podciśnienie, dokładnie taki materiał, jaki jest potrzebny do powstania tunelu czasoprzestrzennego…”.
Jednocześnie zarówno Loeb, jak i Thorne uważają, że nawet jeśli „tunel czasoprzestrzenny” może pojawić się w sposób naturalny, będzie wymagał dużej ilości egzotycznej materii. Tylko wysoko rozwinięta cywilizacja będzie w stanie zgromadzić taki zapas energii i późniejszą stabilizację takiego tunelu.
W poglądach na tę teorię również „nie ma zgody między towarzyszami”. Na przykład, oto co ich kolega Malsaden myśli o ustaleniach Loeba i Thorne'a:
„… Uważam, że idea stabilnego, przejezdnego tunelu czasoprzestrzennego nie jest dostatecznie zrozumiała i najwyraźniej nie odpowiada znanym prawom fizyki…” Sabina Hossenfelder ze Skandynawskiego Instytutu Fizyki Teoretycznej w Szwecji i całkowicie rozbija wnioski Leb-Thorn na drobne fragmenty: „… mamy nie ma absolutnie żadnych dowodów na istnienie materii egzotycznej. Ponadto panuje powszechne przekonanie, że nie może istnieć, ponieważ gdyby istniała, próżnia byłaby niestabilna …"
Nawet w przypadku istnienia takiej egzotycznej materii Hossen-felder rozwija swoją myśl, poruszanie się wewnątrz niej byłoby wyjątkowo nieprzyjemne: za każdym razem odczucia byłyby wprost proporcjonalne do stopnia zakrzywienia struktury czasoprzestrzennej wokół tunelu i do gęstości energii w nim. Sabine Hossenfelder podsumowuje:
"… To jest bardzo podobne do" czarnych dziur ": siły pływowe są zbyt duże - i człowiek zostanie rozerwany na kawałki …"
Paradoksalnie, pomimo jego wkładu w Interstellar, Thorne tak naprawdę nie wierzy, że taki przejezdny tunel mógłby kiedykolwiek się pojawić. I w możliwości przelotu (bez szkody!) - astronauci - a tym bardziej. Sam przyznaje to w swojej książce:
„… Jeśli one [tunele] mogą istnieć, bardzo wątpię, czy mogą powstać naturalnie we Wszechświecie astrofizycznym…”
… Więc uwierz w filmy science fiction!
Oleg Timokhin