Jak uścisnąć dłoń sobie, który przyleciał z przyszłości? Dlaczego lew może nagle zmaterializować się w twoim pokoju? Jak dostać się do innego Wszechświata, odwiedzić wehikuł czasu i czym jest „biała dziura”? Mówił o tym Sergey Krasnikov, starszy badacz w Star Physics Laboratory w Głównym (Pułkowo) Obserwatorium.
Sergey Vladilenovich, co to jest wormhole?
- Nie ma bardzo ścisłej definicji. Takie definicje są potrzebne, gdy udowadnia się niektóre twierdzenia, ale nie ma prawie żadnych rygorystycznych twierdzeń, dlatego ograniczają się głównie do pojęć figuratywnych, obrazów. Wyobraź sobie, że wyjęliśmy piłkę z naszej trójwymiarowej przestrzeni w jednym pokoju i dokładnie tę samą piłkę w innym pokoju i przykleiliśmy powstałe granice tych otworów.
Tak więc, kiedy w jednym pokoju wejdziemy do tej dawnej kuli, która stała się dziurą, wyłonimy się w innym pokoju - z dziury, która powstała w miejscu innej piłki. Gdyby nasza przestrzeń nie była trójwymiarowa, ale dwuwymiarowa, wyglądałaby jak kartka papieru, do której przyklejono długopis. Trójwymiarowy analog i jego rozwój w czasie nazywany jest tunelem czasoprzestrzennym.
Jak bada się tunele czasoprzestrzenne?
- To jest czysto teoretyczna działalność. Nikt nigdy nie widział tuneli czasoprzestrzennych i ogólnie nie ma pewności, że w ogóle istnieją. Zaczęli badać tunele czasoprzestrzenne, wychodząc od pytania: czy w naturze są takie mechanizmy, które gwarantowałyby nam, że takie dziury w przyrodzie nie mogą istnieć? Mechanizmów tych nie znaleziono, więc możemy założyć, że tunele czasoprzestrzenne to realne zjawisko.
Czy w zasadzie można zobaczyć tunel czasoprzestrzenny?
Film promocyjny:
- Oczywiście. Jeśli w zamkniętym pokoju nagle wyczołgujesz się znikąd jakaś osoba, to obserwujesz tunel czasoprzestrzenny. Tunele czasoprzestrzenne jako przedmiot badań zostały wymyślone i wypromowane przez amerykańskiego fizyka teoretycznego Johna Wheelera, który z ich pomocą chciał wyjaśnić, ni mniej, ni więcej - ładunki elektryczne. Pozwól nam wyjaśnić. Opisanie swobodnego pola elektrycznego z punktu widzenia fizyki teoretycznej nie jest zadaniem bardzo trudnym.
Ale bardzo trudno jest opisać ładunek elektryczny z tego samego punktu widzenia. W tym sensie ładunek elektryczny jawi się jako bardzo tajemnicza rzecz: jakaś substancja, odrębna od pola, o nieznanym pochodzeniu i nie jest jasne, jak sobie z nią radzić w fizyce klasycznej. Pomysł Wheelera był następujący. Powiedzmy, że mamy mikroskopijny tunel czasoprzestrzenny, który jest podziurawiony liniami sił - z jednego końca te linie wchodzą do niego, az drugiego wychodzą.
Zewnętrzny obserwator, który nie wie, że te dwa końce są połączone liniami sił, taki obiekt będzie postrzegał go jako prostą kulę w przestrzeni, zbada pole wokół niego i będzie wyglądał jak pole ładunku punktowego. Tylko obserwator pomyśli, że jest to jakaś tajemnicza substancja, która ma ładunek itp., A wszystko dlatego, że nie wie, że w rzeczywistości jest to tunel czasoprzestrzenny.
Oczywiście jest to bardzo elegancki pomysł i wielu próbowało go rozwinąć, ale nie zrobili dużego postępu, ponieważ elektrony są przecież obiektami kwantowymi i oczywiście nikt nie wie, jak opisać tunele czasoprzestrzenne na poziomie kwantowym. Ale jeśli przyjmiemy, że ta hipoteza jest słuszna, to tunele czasoprzestrzenne są czymś więcej niż zjawiskiem codziennym, wszystko, co jest związane z elektrycznością, ostatecznie będzie z nimi związane.
Materia egzotyczna to klasyczna koncepcja fizyki, która opisuje każdą (zazwyczaj hipotetyczną) substancję, która narusza jeden lub więcej klasycznych warunków lub nie składa się ze znanych barionów. Substancje takie mogą mieć takie właściwości, jak ujemna gęstość energii lub raczej odpychać niż przyciągać grawitację. Materia egzotyczna jest wykorzystywana w niektórych teoriach, na przykład w teorii budowy tuneli czasoprzestrzennych. Najbardziej znanym przedstawicielem materii egzotycznej jest próżnia w regionie z podciśnieniem wytwarzanym przez efekt Casimira.
Jakie są tam tunele czasoprzestrzenne?
- Z punktu widzenia teoretycznej podróży istnieją tunele czasoprzestrzenne przejezdne i nieprzejezdne. Te nieprzejezdne to takie, przez które przejście zostaje zniszczone, a dzieje się to tak szybko, że żaden obiekt po prostu nie ma czasu przejść z jednego końca na drugi. Oczywiście najbardziej interesujący do badań jest drugi rodzaj tuneli czasoprzestrzennych - przejezdny. Istnieje nawet piękna teoria, która mówi, że to, co zwykliśmy uważać za supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, to w rzeczywistości ujścia tuneli czasoprzestrzennych. Ta teoria jest prawie nierozwinięta i oczywiście nie znalazła jeszcze żadnego potwierdzenia, istnieje raczej jako rodzaj idei. Jego istotą jest to, że poza tunelem czasoprzestrzennym widać tylko, że w centrum galaktyki znajduje się pewien sferycznie symetryczny obiekt, ale czym on jest - tunel czasoprzestrzenny czy czarna dziura - nie można powiedzieć.ponieważ jesteś poza tym obiektem.
W rzeczywistości można je odróżnić tylko jednym parametrem - masą. Jeśli masa okaże się ujemna, najprawdopodobniej jest to tunel czasoprzestrzenny, ale jeśli masa jest dodatnia, potrzebne są dodatkowe informacje, ponieważ czarna dziura może okazać się tunelem czasoprzestrzennym. Generalnie masa ujemna jest jednym z centralnych momentów całej historii tunelu czasoprzestrzennego. Ponieważ tunel czasoprzestrzenny, aby był przejezdny, musi być wypełniony tak zwaną substancją egzotyczną - substancją, w której przynajmniej miejscami gęstość energii jest ujemna.
Na poziomie klasycznym nikt nigdy nie widział takiej substancji, ale wiemy na pewno, że w zasadzie może ona istnieć. Zarejestrowano efekty kwantowe, które prowadzą do pojawienia się takiej substancji. Jest to dość dobrze znane zjawisko, nazywane efektem Casimira. Został oficjalnie zarejestrowany. I jest to związane właśnie z istnieniem ujemnej gęstości energii, co jest bardzo inspirujące.
Efekt Casimira to efekt polegający na wzajemnym przyciąganiu się przewodzących nienaładowanych ciał pod wpływem fluktuacji kwantowych w próżni. Najczęściej mówimy o dwóch równoległych, nienaładowanych powierzchniach lustrzanych znajdujących się w niewielkiej odległości, ale efekt Casimira istnieje również dla bardziej złożonych geometrii. Przyczyną tego efektu są fluktuacje energii próżni fizycznej w wyniku ciągłego tworzenia i zanikania w niej wirtualnych cząstek. Efekt został przewidziany przez holenderskiego fizyka Hendrika Casimira w 1948 roku, a później potwierdzony eksperymentalnie.
Ogólnie rzecz biorąc, w naukach kwantowych ujemna gęstość energii jest dość powszechną rzeczą, z którą wiąże się na przykład parowanie Hawkinga. Jeśli taka gęstość istnieje, możemy zadać pytanie: jak duża jest masa czarnej dziury (parametr tworzonego przez nią pola grawitacyjnego)? Istnieje rozwiązanie tego problemu, które można zastosować do czarnych dziur - to znaczy obiektów o masie dodatniej, i jest rozwiązanie, które można zastosować do masy ujemnej.
Jeśli w wormholu jest wystarczająco dużo materii egzotycznej, masa tego obiektu na zewnątrz będzie ujemna. Dlatego jednym z głównych rodzajów „obserwacji” tuneli czasoprzestrzennych jest śledzenie obiektów, w stosunku do których można przyjąć, że mają one ujemną masę. A jeśli znajdziemy taki obiekt, to z dość dużym prawdopodobieństwem możemy powiedzieć, że jest to tunel czasoprzestrzenny.
Tunele czasoprzestrzenne są również podzielone na wewnątrzświatowe i międzyświatowe. Jeśli zniszczymy tunel między dwoma wylotami otworów drugiego typu, będziemy mogli zobaczyć dwa zupełnie niezwiązane ze sobą wszechświaty. Taki tunel czasoprzestrzenny nazywa się międzyświatami. Ale jeśli zrobimy to samo i zobaczymy, że wszystko jest w porządku - pozostaliśmy w tym samym Wszechświecie - wówczas mamy wewnątrzświatowy tunel czasoprzestrzenny. Te dwa typy tuneli czasoprzestrzennych mają ze sobą wiele wspólnego, ale jest też ważna różnica. Faktem jest, że wewnątrzświatowy tunel czasoprzestrzenny, jeśli istnieje, ma tendencję do przekształcania się w maszynę czasu. Właściwie to na tle tego założenia nastąpił ostatni wzrost zainteresowania tunelami czasoprzestrzennymi.
W przypadku tunelu czasoprzestrzennego wewnątrz świata istnieją dwa różne sposoby patrzenia na sąsiada: bezpośrednio przez tunel lub okrężną drogą. Jeśli zaczniesz poruszać jednym otworem wormholu względem drugiego, to zgodnie z dobrze znanym paradoksem bliźniaków, druga osoba wracająca z wyprawy będzie młodsza od pozostałej. Z drugiej strony, kiedy patrzysz przez tunel, oboje siedzicie w nieruchomych laboratoriach, z waszego punktu widzenia nic się nie dzieje, wasze zegary są zsynchronizowane. W ten sposób masz teoretyczną możliwość zanurzenia się w tym tunelu i wydostania się w chwili, która z punktu widzenia obserwatora z zewnątrz poprzedza moment, w którym nurkowałeś. Opóźnienie wprowadzone w odpowiednim stopniu spowoduje możliwość takiej podróży kołowej w czasoprzestrzeni,kiedy wrócisz do swojego pierwotnego punktu wyjścia i uścisniesz dłoń poprzedniej inkarnacji.
Paradoks bliźniaków jest eksperymentem myślowym, za pomocą którego próbują „udowodnić” niespójność szczególnej teorii względności. Według SRT, z punktu widzenia „stacjonarnych” obserwatorów, wszystkie procesy ruchu obiektów ulegają spowolnieniu. Z drugiej strony zasada względności deklaruje równość inercjalnych układów odniesienia. Na tej podstawie buduje się rozumowanie, które prowadzi do pozornej sprzeczności. Dla jasności rozważono historię dwóch braci bliźniaków. Jeden z nich (podróżnik) leci w kosmos, a drugi (pozostający w domu) pozostaje na Ziemi. Najczęściej „paradoks” jest sformułowany następująco:
Z punktu widzenia kanapowca zegar podróżującego podróżnika płynie powoli, więc wracając powinien pozostawać w tyle za zegarem kanapowca. Z drugiej strony Ziemia poruszała się względem podróżnika, więc zegar domowników powinien spóźniać się. W rzeczywistości bracia są równi, dlatego po powrocie ich zegarki powinny pokazywać ten sam czas. Jednak według SRT zegarek podróżnika będzie pozostawał w tyle. To naruszenie pozornej symetrii braci jest postrzegane jako sprzeczność.
Jaka jest podstawowa różnica między wormholem a czarną dziurą?
- Przede wszystkim muszę powiedzieć, że istnieją dwa rodzaje czarnych dziur - te, które powstały w wyniku zapadania się gwiazd i te, które istniały początkowo, powstały wraz z pojawieniem się samego Wszechświata. Są to dwa zasadniczo różne typy czarnych dziur. Kiedyś istniało takie pojęcie jak „biała dziura”, teraz jest rzadko używane. Biała dziura jest tą samą czarną, ale ewoluującą wstecz w czasie. Materia po prostu wlatuje do czarnej dziury, ale nigdy nie może stamtąd uciec. Przeciwnie, z białej dziury materia tylko wylatuje, ale nie można się do niej w żaden sposób dostać. W rzeczywistości jest to bardzo naturalna rzecz, jeśli pamiętamy, że Ogólna Teoria Względności jest symetryczna w czasie, co oznacza, że jeśli istnieją czarne dziury, muszą również istnieć białe dziury. Ich całość to wormhole.
Co wiadomo o budowie wewnętrznej tuneli czasoprzestrzennych?
- Na razie w tym sensie budowane są tylko modele. Z jednej strony wiemy, że pojawienie się tej egzotycznej materii mogło zostać odkryte nawet eksperymentalnie, a pytań wciąż jest wiele. Jedynym znanym mi modelem tunelu czasoprzestrzennego, który jest mniej więcej zgodny z rzeczywistością, jest model początkowo odparowującego (od początku Wszechświata) tunelu czasoprzestrzennego. Z powodu tego parowania taka dziura pozostaje przejezdna przez długi czas.
Nad czym dokładnie pracujesz?
- Zajmuję się działalnością czysto teoretyczną, to, co ogólnie można nazwać strukturą przyczynową czasoprzestrzeni, to klasyczna teoria względności, czasami półklasyczna (jak wiesz, kwant jeszcze nie istnieje).
W klasycznej nierelatywistycznej teorii można znaleźć wystarczająco przekonujący dowód, że podróże w czasie nie mogą istnieć, ale w ogólnej teorii względności takich dowodów nie ma. A Einstein, kiedy dopiero rozwijał swoją teorię, był tego świadom. Zastanawiał się, czy istnieje sposób, aby wykluczyć taką możliwość. Wtedy nie poradził sobie z tym zadaniem, jak sam później powiedział. Chociaż Einstein stworzył język do badania tego zagadnienia, zadanie pozostało akademickie. Zainteresowanie nim eksplodowało pod koniec lat czterdziestych XX wieku, kiedy Gödel zaproponował model kosmologiczny zawierający takie zamknięte krzywe.
Ale ponieważ Gödel zawsze oferował coś egzotycznego, reagowali na to z zainteresowaniem, ale bez poważnych konsekwencji naukowych. I wtedy, pod koniec ubiegłego wieku, głównie dzięki science fiction - np. Filmowi „Kontakt” z Jodie Foster - odżyło zainteresowanie tematyką podróży w czasie z pomocą tuneli czasoprzestrzennych. Autorem powieści, według której powstał scenariusz filmu, jest bardzo znany astronom, popularyzator nauki Carl Sagan.
Podszedł do sprawy bardzo poważnie i poprosił swojego przyjaciela, również bardzo znanego relatywistę Kipa Thorne'a, aby sprawdzić, czy wszystko, co opisano w filmie, jest możliwe z naukowego punktu widzenia. Opublikował pół-popularny artykuł w magazynie dla amerykańskich nauczycieli fizyki „Wormholes as a tool for study General Theory of Relativity”, w którym rozważał możliwość podróżowania w czasie przez tunele czasoprzestrzenne.
I muszę powiedzieć, że wtedy w science fiction pomysł podróżowania przez czarne dziury był popularny. Zrozumiał jednak, że czarna dziura jest obiektem absolutnie nieprzeniknionym - podróż przez nią jest niemożliwa, więc uważał tunele czasoprzestrzenne za możliwość podróży w czasie. Chociaż było to znane wcześniej, ale z jakiegoś powodu ludzie uznali jego wnioski za zupełnie nowy pomysł i pospiesznie zbadali go. Ponadto położono nacisk na założenie, że wehikuł czasu nie może istnieć, ale postanowiliśmy dowiedzieć się, dlaczego. I dość szybko stało się jasne, że nie ma oczywistych zastrzeżeń co do istnienia takiej maszyny. Od tego czasu rozpoczęły się badania na większą skalę i zaczęły pojawiać się teorie. Generalnie od tego czasu też to robię.
„Kontakt” to film science-fiction z 1997 roku. Wyreżyserowane przez Roberta Zemeckisa. Główny wątek: Ellie Arroway (Judy Foster) poświęciła całe swoje życie nauce, zostaje uczestnikiem projektu poszukiwania pozaziemskiej inteligencji. Wszelkie próby poszukiwania sygnałów pozaziemskich są bezowocne, a przyszłość jej projektu jest zagrożona. Ellie desperacko szuka wsparcia, ale nieoczekiwanie otrzymuje pomoc od ekscentrycznego miliardera Haddena. A oto wynik - Ellie odbiera sygnał. Dekodowanie sygnału pokazuje, że zawiera opis urządzenia technicznego. Jego przeznaczenie nie jest jasne, ale w środku zaplanowano miejsce dla jednej osoby.
Po stworzeniu i uruchomieniu urządzenia Ellie wyrusza w podróż przez system tuneli czasoprzestrzennych i zostaje przetransportowana, prawdopodobnie na planetę w innym systemie gwiezdnym. Budząc się tam, nad morzem, spotyka przedstawiciela innej cywilizacji, który wybrał wizerunek swojego zmarłego ojca. Rozglądając się dookoła bohaterka zdaje sobie sprawę, że obszar ten został odtworzony w jej umyśle przez obcy umysł na obraz rysunku, który narysowała w dzieciństwie. Obcy mówi jej, że urządzenie pozwala na uporządkowanie systemu międzygwiezdnych szlaków komunikacyjnych, a Ziemia od tej pory staje się członkiem społeczności cywilizacji Wszechświata.
Ellie wraca na Ziemię. Z punktu widzenia obserwatorów z zewnątrz, po uruchomieniu instalacji nic jej się nie stało, a jej ciało nie opuściło naszej planety. Ellie znajduje się w paradoksalnej sytuacji. Jako naukowiec, z punktu widzenia rygorystycznej nauki, nie może w żaden sposób potwierdzić swoich słów. Ujawnia się też inna okoliczność: kamera podpięta do Ellie podczas podróży nic nie nagrała, ale czas trwania pustego nagrania wynosił nie kilka sekund, ale 18 godzin …
Czy można „zrobić” tunel czasoprzestrzenny?
- Właśnie o tym jest ścisły wynik naukowy. Wynika to z faktu, że nie ma dokładnych wyników badań tuneli czasoprzestrzennych. Istnieje twierdzenie udowodnione dawno temu, które mówi, co następuje. Istnieje coś takiego jak globalna hiperboliczność. W tym przypadku w ogóle nie ma znaczenia, co to znaczy, ale chodzi o to, że chociaż przestrzeń jest globalnie hiperboliczna, niemożliwe jest stworzenie tunelu czasoprzestrzennego - może on istnieć w przyrodzie, ale nie zadziała, aby go stworzyć sami.
Jeśli uda ci się przełamać globalną hiperboliczność, być może uda ci się stworzyć tunel czasoprzestrzenny. Ale faktem jest, że to naruszenie samo w sobie jest tak egzotyczną rzeczą, tak słabo zbadaną i słabo zrozumianą, że efekt uboczny narodzin wormholu jest już stosunkowo niewielką rzeczą w porównaniu z samym faktem, że udało ci się naruszyć globalną hiperboliczność.
Ma tu miejsce bardzo znana rzecz, zwana „zasadą ścisłej kosmicznej cenzury”, która mówi, że przestrzeń jest zawsze globalnie hiperboliczna. Ale to w zasadzie nic więcej niż życzenie. Nie ma dowodów na słuszność tej zasady, istnieje tylko pewne wewnętrzne przekonanie wielu ludzi, że czasoprzestrzeń powinna być globalnie hiperboliczna. Jeśli tak, to nie da się stworzyć tunelu czasoprzestrzennego - musisz poszukać istniejącego. Tymczasem poważne wątpliwości co do wierności zasady kosmicznej cenzury wyraził sam autor - Roger Penrose, ale to już inna historia.
To znaczy, że stworzenie tunelu czasoprzestrzennego wymaga poważnych kosztów energii?
- Bardzo trudno tu coś powiedzieć. Problem polega na tym, że gdy naruszana jest twoja globalna hiperboliczność, jednocześnie naruszana jest przewidywalność - to praktycznie to samo. Możesz w jakiś sposób geometrycznie zmienić przestrzeń wokół siebie, na przykład wziąć torbę i odłożyć ją w inne miejsce. Ale są pewne granice, w ramach których możesz to zrobić, w szczególności limit narzucony przez przewidywalność. Na przykład czasami możesz powiedzieć, co się stanie za 2 sekundy, a czasami nie. Granica tego, co możesz lub czego nie możesz przewidzieć, leży właśnie w globalnej hiperboliczności. Jeśli twoja czasoprzestrzeń jest globalnie hiperboliczna, możesz przewidzieć jej ewolucję.
Jeśli założymy, że w pewnym momencie narusza to globalną hiperboliczność, wszystko staje się bardzo złe z przewidywalnością. Dlatego powstaje zdumiewająca rzecz, na przykład taka, że właśnie tu i teraz może zmaterializować się tunel czasoprzestrzenny, przez który wyskoczy lew. Będzie to egzotyczne zjawisko, ale nie naruszy żadnych praw fizyki. Z drugiej strony możesz poświęcić dużo wysiłku, pieniędzy i zasobów, aby w jakiś sposób ułatwić ten proces. Ale wynik będzie nadal taki sam - w obu przypadkach nie wiesz, czy pojawi się tunel czasoprzestrzenny, czy nie. W fizyce klasycznej nie możemy nic z tym zrobić - jeśli chce, to zrobi, nie chce tego, nie powstanie - nauka kwantowa nie daje nam żadnych wskazówek w tej sprawie.
Zasada „kosmicznej cenzury” została sformułowana w 1969 roku przez Rogera Penrose'a w następującej figuratywnej formie: „Natura brzydzi się nagą osobliwością”. Mówi, że osobliwości czasoprzestrzeni pojawiają się w miejscach, które podobnie jak wewnętrzne obszary czarnych dziur są ukryte przed obserwatorami. Zasada ta nie została jeszcze udowodniona i istnieją powody, by wątpić w jej absolutną poprawność (np. Zapadnięcie się chmury pyłu o dużym pędzie prowadzi do „nagiej osobliwości”, ale nie wiadomo, czy to rozwiązanie równań Einsteina jest stabilne przy niewielkich zaburzeniach początkowych danych).
Sformułowanie Penrose'a (silna forma kosmicznej cenzury) sugeruje, że czasoprzestrzeń jako całość jest globalnie hiperboliczna.
Później Stephen Hawking zaproponował inne sformułowanie (słabą formę kosmicznej cenzury), w której zakłada się jedynie globalną hiperboliczność „przyszłego” składnika czasoprzestrzeni.
Olga Fadeeva