Pitajte Jyotiraditya: - WormHole, singularnost

Misterija vremena

Uz sav moj entuzijazam za budućnost čovječanstva u svemiru, postoji jedan veliki problem. Mi smo meke mesne vrećice uglavnom vode, a one druge zvijezde su stvarno jako daleko. Čak i s najoptimističnijim tehnologijama svemirskih letova koje možemo zamisliti, nikada nećemo doseći drugu zvijezdu u ljudskom životu.

Stvarnost nam govori da su čak i najbliže zvijezde neshvatljivo daleko, a za putovanje bi im trebale ogromne količine energije ili vremena. Stvarnost kaže da bi nam trebao brod koji nekako može trajati stotinama ili tisućama godina, dok se generacija nakon generacije astronauta rađa, živi svoj život i umire u tranzitu do druge zvijezde.

S druge strane, znanstvena fantastika osvaja nas čudnim metodama naprednog pogona. Dižite se na warp pogonu i gledajte kako zvijezde prolaze pored nas, čineći putovanje do Alpha Centauri brzo poput krstarenja zadovoljstvom.

Znate što je još lakše? Crvotočina; čarobna kapija koja povezuje dvije točke u prostoru i vremenu jedna s drugom. Samo poravnajte chevrone za odabir na vašem odredištu, pričekajte da se zvijezda stabiliziraju i tek onda hodajte ... hodajte! do vašeg odredišta pola galaksije daleko.

Da, to bi bilo stvarno lijepo. Netko bi se trebao zaobići da izmisli ove crvotočine, otvarajući novu podebljanu budućnost intergalaktičke brzinske vožnje. Što su točno crvotočne rupe i koliko brzo dok je ne koristim?

Otvor za crvotočinu, poznat i kao Einstein-Rosen most, teoretska je metoda savijanja prostora i vremena kako biste mogli spojiti dva mjesta u prostoru zajedno. Tada biste mogli odmah putovati s jednog mjesta na drugo.

Koristit ćemo klasičnu demonstraciju filma Interstellar, gdje na papiru nacrtate crtu od dvije točke, a zatim preklopite papir i provučete olovkom kako biste skratili put. To djeluje sjajno na papiru, ali je li to stvarna fizika?

Kao što nas je Einstein učio, gravitacija nije sila koja vuče materiju poput magnetizma, to je zapravo izvijanje svemira. Mjesec misli da samo slijedi ravnu crtu kroz svemir, ali zapravo slijedi iskrivljeni put stvoren Zemljinom gravitacijom.

I tako, prema Einsteinu i fizičaru Nathanu Rosenu, mogli biste tako čvrsto uviti prostor u vrijeme da dvije točke dijele isto fizičko mjesto. Ako biste mogli cijelu stvar držati stabilnom, mogli biste pažljivo odvojiti dvije regije svemirskog vremena, tako da su još uvijek na istoj lokaciji, ali razdvojene na svim udaljenostima.

Spustite se gravitacijskim bunarom s jedne strane crvotočine, a zatim se odmah pojavite na drugom mjestu. Milijuni ili milijarde svjetlosnih godina. Dok je crvotočine moguće teoretski stvoriti, one su praktički nemoguće od onoga što trenutno razumijemo.

Prvi veliki problem je što se crvotočne rupe ne mogu kretati prema Općoj relativnosti. Dakle, imajte to na umu; fizika koja predviđa te stvari zabranjuje im da se koriste kao način prijevoza. To je prilično ozbiljan štrajk protiv njih.

Drugo, čak i ako se mogu stvoriti crvotočine, one bi bile potpuno nestabilne i propadale bi odmah nakon formiranja. Ako biste pokušali ući u jedan kraj, mogli biste ući i u crnu rupu.

Treće, čak i ako se kreću i mogu se održati stabilnima, u trenutku kad bilo koji materijal pokuša proći kroz njih - čak i fotoni svjetlosti, zbog čega bi se urušili.

No tračak nade postoji jer fizičari još uvijek nisu uspjeli smisliti kako ujediniti gravitaciju i kvantnu mehaniku.

To znači da bi i sam Svemir mogao znati stvari o crvotočinama koje još ne razumijemo. Moguće je da su nastali prirodno kao dio Velikog praska, kada se prostorno vrijeme cijelog Svemira isprepleteno u jedinstvenom obliku.

Astronomi su zapravo predložili traganje crvotočina u svemiru tražeći kako njihova gravitacija izobličava svjetlost zvijezda iza njih. Nijedan se još nije pojavio.

Jedna je mogućnost da se crvotočine prirodno pojavljuju poput virtualnih čestica za koje znamo da postoje. Osim što bi one bile neshvatljivo male, na Planckovoj skali. Trebat će vam manja svemirska letjelica.

Jedan od najfascinantnijih implikacija crvotočina je taj što bi vam mogao omogućiti da stvarno putujete u vremenu.

Evo kako to radi. Prvo napravite crvotočinu u laboratoriju. Zatim uzmite jedan kraj crvotočine, stavite je u svemirsku letjelicu i odletite u znatnom postotku brzine svjetlosti, tako da vremensko širenje stupi na snagu.

Za ljude na svemirskom brodu dogodit će se samo nekoliko godina, dok je za ljude koji su se vratili na Zemlju moglo biti stotine ili čak tisuće. Pod pretpostavkom da ćete crvotočnu rupu održati stabilnom, otvorenom i prohodnom, tada bi putovanje kroz nju bilo zanimljivo.

Ako biste prošli u jednom smjeru, ne samo da biste premještali udaljenost između crvotočina, nego biste se također prevozili do vremena koje prolazi crvotočina. Idite jednim smjerom i krećete se naprijed u vremenu, idite drugim putem: unatrag u vremenu.

Neki fizičari, poput Leonarda Susskinda, misle da to neće uspjeti jer bi se time povrijedila dva najvažnija načela fizike: lokalno očuvanje energije i princip nesigurnosti energije i vremena.

Nažalost, doista se čini da će crvotočine morati da ostanu u carstvu znanstvene fantastike u doglednoj budućnosti, a možda i zauvijek. Čak i ako je moguće stvoriti crvotočine, morate ih držati stabilnima i otvorenima, a zatim morate shvatiti kako dopustiti materiju u njih bez urušavanja. Ipak, ako to možemo shvatiti, to bi zaista dovelo do svemirskog putovanja.

Poput crnih rupa, crvotočine se pojavljuju kao valjana rješenja jednadžbi Alberta Einsteinova Opće teorije relativnosti, a, poput crnih rupa, frazu je skovao (1957.) američki fizičar John Wheeler. Također poput crnih rupa, one ih nikada nisu promatrane izravno, ali teoretski se pojavljuju tako lako da se neki fizičari ohrabruju da misle kako bi na kraju mogli biti pronađeni ili izmišljeni stvarni parovi.

Godine 1916. austrijski fizičar Ludwig Flamm, pregledavajući rješenje Karla Schwarzschilda u Einsteinovim poljskim jednadžbama, koji opisuje poseban oblik crne rupe poznat kao Schwarzschildova crna rupa, primijetio je da je moguće i drugo rješenje koje je opisalo fenomen koji će kasnije doći da bude poznata kao "bijela rupa". Bijela rupa je teoretski preokret crne rupe i dok crna rupa djeluje kao vakuum, uvlačeći se u bilo koju materiju koja prelazi horizont događaja, bijela rupa djeluje kao izvor koji izbacuje materiju iz njenog događaja. Neki su čak nagađali da postoji bijela rupa na "drugoj strani" svih crnih rupa, gdje se sva stvar koja crna rupa usisava raznese u nekom alternativnom svemiru, pa čak i da bi ono što mi mislimo kao Veliki prasak moglo biti zapravo su rezultat upravo takve pojave.

Plamen također je primijetio da se dva rješenja, opisujući dvije različite regije prostor-vremena, mogu matematički povezati vrstama prostor-vremena, te da bi, barem u teoriji, "ulaz" i "izlaz" crne rupe mogli izlaziti biti u potpuno različitim dijelovima istog svemira ili čak u različitim svemirima! Einstein je sam istraživao te ideje 1935. godine, zajedno s Nathanom Rosenom, i njih dvojica su postigli rješenje poznato kao Einstein-Rosen most (također poznato kao Lorentzijeva crvotočina ili Schwarzschildova crvotočina).

Da biste bolje vizualizirali crvotočnu rupu, razmotrite analogiju papira s dvije crte olovke na njemu (koje predstavljaju dvije točke u prostoru-vremenu), linija između njih koja pokazuje udaljenost od jedne točke do druge u normalnom prostoru-vremenu , Ako je papir sada savijen i presavijen gotovo dvostruko (ekvivalent drastično iskrivljenog prostora-vremena), tada probijanje olovke kroz papir pruža mnogo kraći način povezivanja dviju točaka, prečac kroz prostor-vrijeme, kao crvotočina.

Neki se teoretičari ohrabruju da misle da bi se stvarni pandanima eventualno mogli pronaći ili izmisliti i, možda, koristiti kao tunel ili prečac za putovanje svemirskim velikim brzinama između udaljenih točaka ili čak za putovanje vremenom (sa svim potencijalnim paradoksima koji bi mogli dovesti do toga ). Međutim, općeprihvaćeno svojstvo crvotočina je da su one same po sebi vrlo nestabilne i vjerojatno će se srušiti u mnogo kraćem vremenu nego što bi bilo potrebno da se pređe na drugu stranu. U svakom slučaju se predviđa da bi se one odmah raspadale ako bi čak i najmanja količina materije (čak i jedan foton) pokušala proći kroz njih.

Iako su predloženi neki mogući teorijski načini oko ovog problema (na primjer, upotreba „kozmičkih žica“ ili „negativne materije“ ili neke druge egzotične materije sa „negativnom energijom“) kako bi se spriječilo da se crvotočna rupa zatvori, ideja uglavnom ostaje u za sada područje znanstvene fantastike. Ipak, matematički još uvijek nije dokazano nesumnjivo da je neka vrsta egzotične materije s negativnom energetskom gustoćom apsolutni zahtjev za crvotočine, niti je utvrđeno da takva egzotična tvar ne može postojati, pa je mogućnost praktične primjene teorija još uvijek ostaje.

Budući da su crvotočine vodovod kroz četverodimenzionalni prostor-vrijeme, a ne samo kroz prostor, Stephen Hawking i drugi također su tvrdili da bi se crvotočine mogli teoretski iskoristiti za putovanje kroz vrijeme kao i kroz prostor, mada se uveliko vjeruje da je vrijeme putovanje u prošlost nikada neće biti moguće zbog potencijalnih paradoksa i samodestruktivnih petlja za povratne informacije.

jedinstvenost

U središtu crne rupe je gravitaciona singularnost, jednodimenzionalna točka koja sadrži ogromnu masu u beskonačno malom prostoru, gdje gustoća i gravitacija postaju beskonačne i krivulje prostora i vremena beskonačno, a gdje prestaju zakoni fizike kakve ih poznajemo raditi. Kako to opisuje ugledni američki fizičar Kip Thorne, to je "točka u kojoj se svi zakoni fizike ruše".

Trenutna teorija sugerira da će se, kako objekt padne u crnu rupu i približiti se singularnosti u središtu, istegnuti ili „špagetirati“ zbog sve veće razlike u gravitacijskoj privlačnosti na različitim dijelovima nje, prije nego što će vjerojatno izgubiti dimenzionalnost u potpunosti i nestajući nepovratno u singularnosti. Međutim, promatrač iz sigurne udaljenosti vani bi imao drugačiji pogled na taj događaj. Prema teoriji relativnosti, oni bi vidjeli kako se objekt kreće sve sporije i sporije kako se približava crnoj rupi sve dok ne dođe do potpunog zaustavljanja na horizontu događaja, a zapravo nikada ne padne u crnu rupu.

Postojanje singularnosti često se uzima kao dokaz da se teorija opće relativnosti razbila, što možda nije neočekivano jer se događa u uvjetima u kojima bi kvantni efekti trebali postati važni. Moguće je zamisliti da bi neka buduća kombinirana teorija kvantne gravitacije (poput trenutnog istraživanja superstrukcija) mogla opisati crne rupe bez potrebe za singularnostima, ali takva je teorija još mnogo godina.

Prema hipotezi „kozmičke cenzure“, posebnost crne rupe ostaje skrivena iza njenog događaja, tako da je uvijek okružena prostorom koji ne dopušta da svjetlost izlazi, pa se stoga ne može izravno promatrati. Jedina iznimka koju hipoteza dopušta (poznata kao „gola“ singularnost) je početni Veliki prasak.

Čini se, tada, da po svojoj naravi nikada nećemo moći potpuno opisati ili čak razumjeti singularnost u središtu crne rupe. Iako promatrač može slati signale u crnu rupu, ništa unutar crne rupe nikada ne može komunicirati s bilo čim izvan nje, pa bi se činilo da bi njezine tajne bile zauvijek sigurne.

Jyotiraditya