Zapytaj Jyotiraditya: - WormHole, Singularity

Timetravel Mystery

Z całym moim entuzjazmem dla przyszłości ludzkości w kosmosie istnieje jeden rażący problem. Jesteśmy miękkimi workami z mięsem głównie wody, a te inne gwiazdy są naprawdę bardzo daleko. Nawet przy najbardziej optymistycznych technologiach lotów kosmicznych, jakie możemy sobie wyobrazić, nigdy nie osiągniemy innej gwiazdy w życiu człowieka.

Rzeczywistość mówi nam, że nawet najbardziej pobliskie gwiazdy są niezrozumiale daleko i wymagałyby ogromnej ilości energii lub czasu, aby odbyć podróż. Rzeczywistość mówi, że potrzebowalibyśmy statku, który w jakiś sposób przetrwałby setki lub tysiące lat, podczas gdy pokolenie za pokoleniem astronautów rodzi się, żyje życiem i umiera w drodze do innej gwiazdy.

Z drugiej strony science fiction oszałamia nas swoimi zadziwiającymi metodami zaawansowanego napędu. Podkręć napęd warp i obserwuj, jak gwiazdy mijają nas, podróżując do Alpha Centauri tak szybko, jak przyjemny rejs.

Wiesz co jest jeszcze łatwiejsze? Tunel czasoprzestrzenny; magiczna brama, która łączy ze sobą dwa punkty w przestrzeni i czasie. Po prostu ustaw szewrony, aby wybrać miejsce docelowe, poczekaj, aż gwiezdne wrota się ustabilizują, a następnie po prostu idź… idź! do miejsca docelowego oddalonego o pół galaktyki.

Tak, byłoby naprawdę miło. Ktoś naprawdę powinien zająć się wynalezieniem tych tuneli czasoprzestrzennych, zapoczątkowując nową śmiałą przyszłość międzygalaktycznego speedwalkingu. Czym dokładnie są tunele czasoprzestrzenne i jak szybko będę mógł z nich skorzystać ?.

Tunel czasoprzestrzenny, znany również jako most Einsteina-Rosen, to teoretyczna metoda składania przestrzeni i czasu, dzięki czemu można połączyć ze sobą dwa miejsca w przestrzeni. Następnie możesz natychmiast podróżować z jednego miejsca do drugiego.

Wykorzystamy tę klasyczną demonstrację z filmu Międzygwiezdne, w którym narysujesz linię z dwóch punktów na kawałku papieru, a następnie złożysz papier i dźgniesz ołówkiem, aby skrócić podróż. Działa to świetnie na papierze, ale czy to rzeczywista fizyka?

Jak nauczył nas Einstein, grawitacja nie jest siłą, która przyciąga materię jak magnetyzm, lecz jest wypaczeniem czasoprzestrzeni. Księżyc myśli, że po prostu podąża prostą linią kosmiczną, ale w rzeczywistości podąża wypaczoną ścieżką utworzoną przez grawitację Ziemi.

I tak, według Einsteina i fizyka Nathana Rosena, można tak mocno splątać czasoprzestrzeń, że dwa punkty znajdują się w tej samej fizycznej lokalizacji. Jeśli mógłbyś wtedy utrzymać całość w stanie stabilnym, możesz ostrożnie oddzielić dwa regiony czasoprzestrzeni, aby nadal były w tym samym miejscu, ale oddzielone dowolną odległością.

Zejdź po studni grawitacyjnej z jednej strony tunelu czasoprzestrzennego, a następnie natychmiast pojaw się w innym miejscu. Miliony lub miliardy lat świetlnych stąd. Chociaż tunele czasoprzestrzenne są teoretycznie możliwe do utworzenia, są praktycznie niemożliwe z tego, co obecnie rozumiemy.

Pierwszym dużym problemem jest to, że tunele czasoprzestrzenne nie są dostępne zgodnie z ogólną teorią względności. Miej to na uwadze; fizyka, która przewiduje te rzeczy, zabrania ich używania jako metody transportu. To całkiem poważny atak przeciwko nim.

Po drugie, nawet jeśli można stworzyć tunele czasoprzestrzenne, byłyby one całkowicie niestabilne, zapadając się natychmiast po ich utworzeniu. Jeśli spróbujesz wejść na jeden koniec, równie dobrze możesz wejść do czarnej dziury.

Po trzecie, nawet jeśli są one ruchome i mogą być stabilne, w chwili, gdy jakikolwiek materiał próbował przejść - nawet fotony światła - to spowodowałoby ich zapadnięcie się.

Jest jednak promyk nadziei, ponieważ fizycy wciąż nie wymyślili, jak połączyć grawitację i mechanikę kwantową.

Oznacza to, że sam Wszechświat może wiedzieć rzeczy o tunelach czasoprzestrzennych, których jeszcze nie rozumiemy. Możliwe, że powstały one naturalnie jako część Wielkiego Wybuchu, gdy czasoprzestrzeń całego Wszechświata zaplątała się w osobliwości.

Astronomowie zaproponowali poszukiwanie tuneli czasoprzestrzennych w kosmosie, szukając, jak ich grawitacja zniekształca światło gwiazd znajdujących się za nimi. Żadne jeszcze się nie pojawiło.

Jedną z możliwości jest to, że tunele czasoprzestrzenne wyglądają naturalnie jak wirtualne cząstki, o których wiemy, że istnieją. Tyle że byłyby niezrozumiale małe, w skali Plancka. Będziesz potrzebował mniejszego statku kosmicznego.

Jednym z najbardziej fascynujących implikacji tuneli czasoprzestrzennych jest to, że mogą one pozwolić ci podróżować w czasie.

Oto jak to działa. Najpierw utwórz tunel czasoprzestrzenny w laboratorium. Następnie weź jeden koniec tunelu czasoprzestrzennego, umieść go na statku kosmicznym i odleć ze znacznym procentem prędkości światła, aby zadziałało dylatowanie czasu.

Dla ludzi na statku kosmicznym minie zaledwie kilka lat, podczas gdy ludzie na Ziemi mogliby to być setki, a nawet tysiące. Zakładając, że możesz utrzymać tunel czasoprzestrzenny stabilny, otwarty i przejezdny, podróżowanie po nim byłoby interesujące.

Jeśli minąłeś w jednym kierunku, nie tylko przesunąłbyś odległość między tunelami czasoprzestrzennymi, ale także zostałbyś przeniesiony do czasu, w którym tunel czasoprzestrzenny ma miejsce. Idź w jednym kierunku i idź naprzód w czasie, idź w drugą stronę: wstecz w czasie.

Niektórzy fizycy, jak Leonard Susskind, uważają, że to nie zadziała, ponieważ naruszyłoby to dwie z najbardziej fundamentalnych zasad fizyki: lokalną oszczędność energii i zasadę niepewności czas-energia.

Niestety, naprawdę wydaje się, że tunele czasoprzestrzenne będą musiały pozostać w świecie science fiction w przewidywalnej przyszłości, a może na zawsze. Nawet jeśli możliwe jest tworzenie tuneli czasoprzestrzennych, musisz utrzymać je stabilne i otwarte, a następnie musisz dowiedzieć się, jak wpuścić do nich materię bez zapadania się. Jeśli jednak moglibyśmy to rozgryźć, podróż kosmiczna byłaby naprawdę bardzo wygodna.

Podobnie jak czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne powstają jako prawidłowe rozwiązania równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, i podobnie jak czarne dziury, frazę wymyślił (w 1957 r.) Amerykański fizyk John Wheeler. Podobnie jak czarne dziury, nigdy nie zaobserwowano ich bezpośrednio, ale teoretycznie pojawiają się tak łatwo, że niektórzy fizycy są zachęcani do myślenia, że ​​w końcu można znaleźć lub sfabrykować prawdziwe odpowiedniki.

W 1916 r. Austriacki fizyk Ludwig Flamm, patrząc na rozwiązanie Karla Schwarzschilda na równania pola Einsteina, które opisuje szczególną formę czarnej dziury znaną jako czarna dziura Schwarzschilda, zauważył, że możliwe jest również inne rozwiązanie, które opisuje zjawisko, które później nastąpiło być znanym jako „biała dziura”. Biała dziura jest teoretycznym odwróceniem czasu czarnej dziury i podczas gdy czarna dziura działa jak próżnia, przyciągając dowolną materię, która przekracza horyzont zdarzeń, biała dziura działa jako źródło, które wyrzuca materię z jej horyzontu zdarzeń. Niektórzy nawet spekulowali, że po „drugiej stronie” wszystkich czarnych dziur znajduje się biała dziura, w której cała materia zasysana przez czarną dziurę jest wydmuchiwana w alternatywnym wszechświecie, a nawet to, co uważamy za Wielki Wybuch w rzeczywistości były wynikiem takiego zjawiska.

Flamm zauważył również, że dwa rozwiązania opisujące dwa różne regiony czasoprzestrzeni mogą być matematycznie połączone rodzajem przewodu czasoprzestrzennego i że teoretycznie przynajmniej „wejście” czarnej dziury i „wyjście” białej dziury mogłyby być w całkowicie różnych częściach tego samego wszechświata, a nawet w różnych wszechświatach! Sam Einstein zgłębiał te idee w 1935 r. Wraz z Nathanem Rosenem i obaj osiągnęli rozwiązanie znane jako most Einsteina-Rosen (znany również jako tunel czasoprzestrzenny Lorentzian lub tunel czasoprzestrzenny Schwarzschilda).

Aby lepiej zobrazować tunel czasoprzestrzenny, rozważ analogię kawałka papieru z narysowanymi na nim dwoma ołówkowymi znakami (reprezentującymi dwa punkty w czasoprzestrzeni), linia między nimi pokazuje odległość od jednego punktu do drugiego w normalnej czasoprzestrzeni . Jeśli papier jest teraz zagięty i złożony prawie dwukrotnie (odpowiednik drastycznego wypaczenia czasoprzestrzeni), wówczas przebijanie ołówkiem przez papier zapewnia znacznie krótszy sposób łączenia dwóch punktów, czyli skrót przez czasoprzestrzeń podobny do tego tunel czasoprzestrzenny.

Niektórzy teoretycy są zachęcani do myślenia, że ​​prawdziwi odpowiednicy mogą w końcu zostać znalezieni lub sfabrykowani i być może być wykorzystani jako tunel lub skrót do szybkiej podróży kosmicznej między odległymi punktami lub nawet w czasie (ze wszystkimi potencjalnymi paradoksami, które mogą się z tym wiązać ). Jednak ogólnie akceptowaną właściwością tuneli czasoprzestrzennych jest to, że są one z natury wysoce niestabilne i prawdopodobnie zawalą się w znacznie krótszym czasie niż zajęłoby przejście na drugą stronę. W każdym razie przewiduje się, że zawaliliby się natychmiast, gdyby nawet najmniejsza ilość materii (nawet pojedynczy foton) próbowała przez nie przejść.

Chociaż zasugerowano kilka możliwych teoretycznych sposobów rozwiązania tego problemu (na przykład użycie „kosmicznych sznurków” lub „materii ujemnej” lub innej egzotycznej materii z „energią ujemną”), aby zapobiec zakleszczeniu się tunelu czasoprzestrzennego, idea pozostaje w dużej mierze w królestwo science fiction na razie. Wciąż jednak nie zostało matematycznie udowodnione, że jakaś egzotyczna materia o ujemnej gęstości energii jest absolutnym wymogiem dla tuneli czasoprzestrzennych, ani nie ustalono, że taka egzotyczna materia nie może istnieć, więc możliwość praktycznego zastosowania teoria wciąż pozostaje.

Ponieważ tunele czasoprzestrzenne są kanałem w 4-wymiarowej czasoprzestrzeni, a nie tylko w przestrzeni, Stephen Hawking i inni stwierdzili również, że tunele czasoprzestrzenne mogą być teoretycznie wykorzystywane do podróżowania w czasie i przestrzeni, choć powszechnie uważa się, że czas podróż w przeszłość nigdy nie będzie możliwa ze względu na potencjał paradoksów i samodestrukcyjnych pętli sprzężenia zwrotnego.

Osobliwość

W centrum czarnej dziury znajduje się osobliwość grawitacyjna, punkt jednowymiarowy, który zawiera ogromną masę w nieskończenie małej przestrzeni, gdzie gęstość i grawitacja stają się nieskończone, a czasoprzestrzeń wygina się w nieskończoność, i gdzie wygasają prawa fizyki, jaką znamy. operować. Jak to opisuje wybitny amerykański fizyk Kip Thorne, jest to „punkt, w którym wszystkie prawa fizyki się psują”.

Obecna teoria sugeruje, że gdy obiekt wpada do czarnej dziury i zbliża się do osobliwości w centrum, zostanie on rozciągnięty lub „spaghetti” z powodu rosnącej różnicy przyciągania grawitacyjnego w różnych jego częściach, zanim przypuszczalnie całkowicie straci wymiar znikają nieodwołalnie w osobliwości. Obserwator obserwujący z bezpiecznej odległości na zewnątrz miałby jednak inne spojrzenie na to wydarzenie. Zgodnie z teorią względności, widzą obiekt poruszający się coraz wolniej, gdy zbliża się do czarnej dziury, dopóki nie zatrzyma się całkowicie na horyzoncie zdarzeń, nigdy nie wpadając do czarnej dziury.

Istnienie osobliwości jest często traktowane jako dowód, że załamała się teoria ogólnej teorii względności, co może nie jest nieoczekiwane, ponieważ ma miejsce w warunkach, w których efekty kwantowe powinny stać się ważne. Można sobie wyobrazić, że niektóre przyszłe połączone teorie grawitacji kwantowej (takie jak bieżące badania nad superstrunami) mogą być w stanie opisać czarne dziury bez potrzeby występowania osobliwości, ale taka teoria jest jeszcze za wiele lat.

Zgodnie z hipotezą „kosmicznej cenzury” osobliwość czarnej dziury pozostaje ukryta za horyzontem zdarzeń, ponieważ jest zawsze otoczona obszarem, który nie pozwala na ucieczkę światła, a zatem nie może być bezpośrednio obserwowany. Jedynym wyjątkiem, na który pozwala hipoteza (znana jako „naga” osobliwość), jest sam początkowy Wielki Wybuch.

Wydaje się zatem prawdopodobne, że z samej swojej natury nigdy nie będziemy w stanie w pełni opisać ani nawet zrozumieć osobliwości w centrum czarnej dziury. Chociaż obserwator może wysyłać sygnały do ​​czarnej dziury, nic wewnątrz czarnej dziury nie może nigdy komunikować się z niczym poza nią, więc jej tajemnice wydają się bezpieczne na zawsze.

Jyotiraditya