WORMHOLE: HISTORIA, TEORIA, RODZAJE, FORMACJA - ARTE - 2025

Tunel w astrofizyce i kosmologii jest kanał łączący dwa punkty w materiale przestrzenno-czasowego. Tak jak spadające jabłko zainspirowało teorię grawitacji Izaaka Newtona w 1687 r., Tak robaki, które przebijają jabłka, zainspirowały nowe teorie, również w ramach grawitacji.

Tak jak robakowi udaje się dotrzeć do innego punktu na powierzchni jabłka przez tunel, tak i czasoprzestrzenne tunele stanowią teoretyczne skróty, które pozwalają mu podróżować do odległych części wszechświata w krótszym czasie.

Wormhole czasoprzestrzenne: wizja artystyczna. Źródło: Pixabay.

Jest to pomysł, który porwał i nadal porusza wyobraźnię wielu. Tymczasem kosmologowie są zajęci szukaniem sposobów udowodnienia jego istnienia. Ale w tej chwili nadal są przedmiotem spekulacji.

Aby przybliżyć się nieco do zrozumienia tuneli czasoprzestrzennych, możliwości podróżowania przez nie w czasie oraz różnic, które istnieją między tunelami czasoprzestrzennymi a czarnymi dziurami, musimy przyjrzeć się koncepcji czasoprzestrzeni.

Co to jest czasoprzestrzeń?

Pojęcie czasoprzestrzeni jest ściśle powiązane z pojęciem wormholu. Dlatego należy najpierw ustalić, czym jest i jaka jest jego główna cecha.

Czasoprzestrzeń to miejsce, w którym zachodzi każde zdarzenie we wszechświecie. A wszechświat z kolei jest całością czasoprzestrzeni, zdolną pomieścić wszystkie formy materii-energii i nie tylko …

Spotkanie pana młodego z panną młodą jest wydarzeniem, ale to wydarzenie ma współrzędne przestrzenne: miejsce spotkań. Oraz koordynaty czasowe: rok, miesiąc, dzień i godzina spotkania.

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

Teraz, w obszarze wszechświata wolnym od masy i interakcji, czasoprzestrzeń jest płaska. Oznacza to, że dwa promienie świetlne, które zaczynają się równolegle, trwają tak długo, jak długo pozostają w tym regionie. Nawiasem mówiąc, dla promienia światła czas jest wieczny.

Oczywiście czasoprzestrzeń nie zawsze jest płaska. Wszechświat zawiera obiekty o masie, które modyfikują czasoprzestrzeń, powodując krzywiznę czasoprzestrzeni w skali uniwersalnej.

To sam Albert Einstein uświadomił sobie w chwili natchnienia, że ​​nazwał „najszczęśliwszą ideą mojego życia”, że przyspieszonego obserwatora nie da się odróżnić lokalnie od tego, który znajduje się blisko masywnego obiektu. To słynna zasada równoważności.

A przyspieszony obserwator zakrzywia czasoprzestrzeń, to znaczy geometria euklidesowa nie jest już ważna. Dlatego w środowisku masywnego obiektu, takiego jak gwiazda, planeta, galaktyka, czarna dziura lub sam wszechświat, czasoprzestrzeń zakrzywia się.

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

Grawitacja jest tak enigmatyczna, jak siła, która ciągnie nas do przodu, gdy autobus, którym jedziemy, gwałtownie hamuje. To tak, jakby nagle coś niewidzialnego, ciemnego i masywnego, pojawiło się na kilka chwil i przyciągało nas, nagle pchając nas do przodu.

Planety poruszają się eliptycznie wokół Słońca, ponieważ ich masa wytwarza wgłębienie na powierzchni czasoprzestrzeni, które powoduje, że planety zakrzywiają swoje tory. Promień światła również zakrzywia swoją ścieżkę podążając za depresją czasoprzestrzenną wytwarzaną przez Słońce.

Tunele w czasoprzestrzeni

Jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywioną powierzchnią, w zasadzie nic nie stoi na przeszkodzie, aby jeden obszar łączył się z innym przez tunel. Przejazd przez taki tunel oznaczałby nie tylko zmianę miejsca, ale także daje możliwość udania się w inny czas.

Pomysł ten zainspirował wiele książek, seriali i filmów science fiction, w tym słynny amerykański serial z lat 60. „The Time Tunnel”, a ostatnio „Deep Space 9” z serii Star Trek oraz film Interstellar z 2014 roku.

Pomysł wyszedł od samego Einsteina, który szukając rozwiązań równań pola ogólnej teorii względności, znalazł wraz z Nathanem Rosenem teoretyczne rozwiązanie, które umożliwiło połączenie dwóch różnych regionów czasoprzestrzeni tunelem pełniącym funkcję skrótu.

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

Jednak termin „wormhole” został użyty po raz pierwszy w 1957 roku, dzięki fizykom teoretycznym Johnowi Wheelerowi i Charlesowi Misnerowi w publikacji z tego roku. Wcześniej mówiono o „jednowymiarowych rurach” w odniesieniu do tego samego pomysłu.

Później, w 1980 roku, Carl Sagan pisał powieść science fiction „Kontakt”, książkę, którą później przerobiono na film. Bohaterka imieniem Elly odkrywa inteligentne życie pozaziemskie w odległości 25 tysięcy lat świetlnych. Carl Sagan chciał, aby Elly tam pojechała, ale w sposób, który był naukowo wiarygodny.

Podróż w odległości 25 tysięcy lat świetlnych nie jest łatwym zadaniem dla człowieka, chyba że szuka się skrótu. Czarna dziura nie może być rozwiązaniem, ponieważ zbliżając się do osobliwości, grawitacja różnicowa rozerwałaby statek kosmiczny i jego załogę.

Poszukując innych możliwości, Carl Sagan skonsultował się z jednym z czołowych ekspertów od czarnych dziur w tamtych czasach: Kipem Thorne'em, który zaczął myśleć o tej sprawie i zdał sobie sprawę, że mosty Einsteina-Rosena lub tunele czasoprzestrzenne Wheeler byli rozwiązaniem.

Jednak Thorne zdał sobie również sprawę, że rozwiązanie matematyczne było niestabilne, to znaczy tunel się otwiera, ale wkrótce potem dusi się i znika.

Niestabilność tuneli czasoprzestrzennych

Czy można używać tuneli czasoprzestrzennych do pokonywania dużych odległości w czasie i przestrzeni?

Odkąd zostały wynalezione, tunele czasoprzestrzenne służyły w wielu fabułach science fiction, aby zabrać swoich bohaterów w odległe miejsca i doświadczyć paradoksów nieliniowego czasu.

Kip Thorne znalazł dwa możliwe rozwiązania problemu niestabilności tunelu czasoprzestrzennego:

• Poprzez tak zwaną piankę kwantową. W skali Plancka ( ^10-35 m) występują fluktuacje kwantowe zdolne do połączenia dwóch regionów czasoprzestrzeni poprzez mikrotunele. Hipotetyczna, bardzo zaawansowana cywilizacja mogłaby znaleźć sposób na poszerzenie korytarzy i utrzymanie ich na tyle długo, aby mógł przejść człowiek.
• Masa ujemna. Według szacunków opublikowanych w 1990 roku przez samego Thorne'a, do utrzymania otwartych końców tunelu potrzebne byłyby ogromne ilości tej obcej materii.

Niezwykłe w tym ostatnim rozwiązaniu jest to, że w przeciwieństwie do czarnych dziur nie ma osobliwości ani zjawisk kwantowych, a przejście człowieka przez tego typu tunel byłoby możliwe.

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

Stephen Hawking, wielki odniesienie w kosmologii końca XX wieku, nie wierzył, że ani tunele czasoprzestrzenne, ani maszyny czasu są wykonalne z powodu wielu paradoksów i sprzeczności, które z nich wynikają.

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

Chociaż nie byłoby to praktyczne w przypadku podróży w czasie i czasoprzestrzeni, ponieważ poza kłopotami, jakie przyniosłaby osobliwość czarnej dziury, nie byłoby możliwości wyjścia z drugiego końca, ponieważ jest to kolejna czarna dziura.

Różnice między czarnymi dziurami a tunelami czasoprzestrzennymi

Kiedy mówisz o wormholu, od razu myślisz o czarnych dziurach.

Czarna dziura powstaje naturalnie, po ewolucji i śmierci gwiazdy o określonej masie krytycznej.

Powstaje po wyczerpaniu przez gwiazdę paliwa jądrowego i zaczyna się nieodwracalnie kurczyć z powodu własnej siły grawitacji. Trwa nieustannie, aż do takiego upadku, że nic bliższego niż promień horyzontu zdarzeń nie może uciec, nawet światło.

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

Gdyby jednak ktoś próbował przejść przez czarną dziurę, intensywna grawitacja i ekstremalne promieniowanie w bliskim sąsiedztwie osobliwości zamieniłyby ją w cienką nitkę cząstek subatomowych.

Istnieją pośrednie i dopiero niedawno bezpośrednie dowody na istnienie czarnych dziur. Wśród tych dowodów jest emisja i wykrywanie fal grawitacyjnych poprzez przyciąganie i rotację dwóch kolosalnych czarnych dziur, wykryte przez obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO.

Istnieją dowody na to, że supermasywna czarna dziura istnieje w centrum dużych galaktyk, takich jak nasza Droga Mleczna.

Szybki obrót gwiazd w pobliżu centrum, a także ogromna ilość promieniowania o wysokiej częstotliwości, które stamtąd emanuje, są pośrednimi dowodami na istnienie ogromnej czarnej dziury, która wyjaśnia obecność tych zjawisk.

Dopiero 10 kwietnia 2019 roku pokazano światu pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury (7 miliardów mas Słońca), znajdującej się w bardzo odległej galaktyce: Messier 87 w konstelacji Panny, 55 milionów. lat świetlnych od Ziemi.

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

Z drugiej strony dotychczas nie ma dowodów na istnienie tuneli czasoprzestrzennych. Naukowcom udało się wykryć i namierzyć czarną dziurę, jednak nie było to możliwe w przypadku tuneli czasoprzestrzennych.

Dlatego są obiektami hipotetycznymi, choć teoretycznie wykonalnymi, tak jak kiedyś były też czarne dziury.

Różnorodność / rodzaje tuneli czasoprzestrzennych

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

• Tunele czasoprzestrzenne, które łączą dwa regiony czasoprzestrzenne tego samego wszechświata.
• Tunele czasoprzestrzenne zdolne do połączenia jednego wszechświata z innym.
• Mosty Einsteina-Rosena, w których materia może przechodzić z jednego otworu do drugiego. Chociaż to przejście materii spowodowałoby niestabilność, powodując zapadnięcie się tunelu.
• Tunel czasoprzestrzenny Kipa Thorne'a z kulistą powłoką o ujemnej masie. Jest stabilny i przejezdny w obu kierunkach.
• Tak zwany wormhole Schwarzschilda, składający się z dwóch połączonych statycznych czarnych dziur. Nie można ich przemieścić, ponieważ materia i światło są uwięzione między obiema skrajnościami.
• Obciążone i / lub wirujące lub kręcące się tunele czasoprzestrzenne, składające się z dwóch wewnętrznie połączonych dynamicznych czarnych dziur, które można pokonać tylko w jednym kierunku.
• Piana kwantowa czasoprzestrzeni, której istnienie jest teoretyczne na poziomie subatomowym. Pianka składa się z bardzo niestabilnych subatomowych tuneli, które łączą różne strefy. Stabilizacja i rozszerzenie ich wymagałoby stworzenia plazmy kwarkowo-gluonowej, której wytworzenie wymagałoby prawie nieskończonej ilości energii.
• Niedawno, dzięki teorii strun, stworzono teorię tuneli czasoprzestrzennych wspieranych przez kosmiczne struny.
• Splecione, a następnie oddzielone czarne dziury, z których powstaje dziura czasoprzestrzenna lub most Einsteina-Rosena, który jest utrzymywany razem przez grawitację. Jest to rozwiązanie teoretyczne zaproponowane we wrześniu 2013 roku przez fizyków Juana Maldacena i Leonarda Susskinda.

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

Czy kiedykolwiek zobaczymy tunele czasoprzestrzenne?

Przez długi czas czarne dziury były teoretycznym rozwiązaniem równań Einsteina. Sam Einstein kwestionował możliwość ich wykrycia przez ludzkość.

Albert Einstein (1879-1955), autor teorii względności. Źródło: Pixabay.

Tak więc przez długi czas czarne dziury pozostawały jako przewidywanie teoretyczne, dopóki nie zostały znalezione i zlokalizowane. Naukowcy mają taką samą nadzieję w przypadku tuneli czasoprzestrzennych.

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

Uważa się, że fotony przemieszczają się wokół wormholu, tworząc świecący pierścień. Najbliższe fotony wpadają do środka i pozostawiają cień, który pozwoli je odróżnić od czarnych dziur.

Według Rajibula Shaikha, fizyka z Tata Institute for Fundamental Research w Bombaju w Indiach, rodzaj obracającego się tunelu czasoprzestrzennego wytwarzałby większy i wypaczony cień niż czarna dziura.

W swojej pracy Shaikh badał teoretyczne cienie rzucane przez pewną klasę wirujących tuneli czasoprzestrzennych, koncentrując się na kluczowej roli gardła dziury w tworzeniu cienia fotonowego, który pozwala go zidentyfikować i odróżnić od czarnej dziury.

Shaikh przeanalizował również zależność cienia od obrotu wormholu, a także porównał go z cieniem rzucanym przez wirującą czarną dziurę Kerra, znajdując znaczące różnice. Jest to praca całkowicie teoretyczna.

Poza tym na razie tunele czasoprzestrzenne pozostają matematycznymi abstrakcjami, ale możliwe jest, że wkrótce zostaną zauważone. To, co znajduje się na drugim końcu, jest na razie przedmiotem domysłów.

Bibliografia

1. Splątanie kwantowe może spowodować grawitację. Zaczerpnięte z Cienciaaldia.com
2. Progress of Physics, tom 61, wydanie wrzesień 2013, strony 781-811
3. Tunel czasoprzestrzenny. Zaczerpnięte z wikipedia.org
4. Czas, przestrzeń. Zaczerpnięte z wikipedia.org.
5. David Nield (2018). Szalony nowy artykuł sugeruje, że tunele czasoprzestrzenne rzucają cienie, które moglibyśmy łatwo zobaczyć za pomocą teleskopów. Zaczerpnięte z sciencealert.com