Cum să strângi mâna cu tine însuți, care a intrat din viitor? De ce se poate materializa brusc un leu în camera ta? Cum să ajungeți la un alt Univers, să vizitați o mașină a timpului și ce este o „gaură albă”? Sergey Krasnikov, cercetător senior la Laboratorul de fizică a stelelor din Observatorul principal (Pulkovo), a vorbit despre acest lucru.
Serghei Vladilenovici, ce este o gaură de vierme?
- Nu există o definiție foarte strictă. Astfel de definiții sunt necesare atunci când dovediți unele teoreme, dar aproape că nu există teoreme riguroase, prin urmare, acestea sunt limitate în principal la concepte figurative, imagini. Imaginează-ți că am scos o bilă din spațiul nostru tridimensional într-o cameră și am scos exact aceeași minge într-o altă cameră și am lipit limitele rezultate ale acestor găuri.
Astfel, când intrăm într-o singură cameră în interiorul acestei foste bile, care a devenit o gaură, vom ieși într-o altă cameră - dintr-o gaură care s-a format în locul altei bile. Dacă spațiul nostru nu ar fi tridimensional, ci bidimensional, ar părea o foaie de hârtie de care este lipit un stilou. Analogul tridimensional și dezvoltarea acestuia în timp se numește gaură de vierme.
Cum sunt studiate găurile de vierme?
- Aceasta este o activitate pur teoretică. Nimeni nu a văzut vreodată găuri de vierme și, în general, nu există siguranța că există deloc. Au început să studieze găurile de vierme, pornind de la întrebarea: există în natură astfel de mecanisme care să ne garanteze că astfel de găuri nu pot exista în natură? Aceste mecanisme nu au fost găsite, deci putem presupune că găurile de vierme sunt un fenomen real.
Este posibil, în principiu, să vezi o gaură de vierme?
Video promotional:
- Desigur. Dacă într-o cameră încuiată te târâi brusc de nicăieri o persoană, atunci observi o gaură de vierme. Găurile de vierme ca obiect de studiu au fost inventate și promovate de fizicianul teoretic american John Wheeler, care cu ajutorul lor au dorit să explice, nici mai mult, nici mai puțin - sarcinile electrice. Să ne explicăm. Descrierea unui câmp electric liber din punctul de vedere al fizicii teoretice nu este o sarcină foarte dificilă.
Dar este foarte dificil să descrie o încărcare electrică din același punct de vedere. O încărcătură electrică apare în acest sens ca fiind un lucru foarte misterios: o anumită substanță, separată de câmp, de origine necunoscută și nu este clar cum să o descurcăm în fizica clasică. Ideea lui Wheeler a fost următoarea. Să zicem că avem o gaură de vierme microscopică, care este plină de linii de forță - de la un capăt aceste linii intră în ea, iar din celălalt ies.
Un observator exterior care nu știe că aceste două capete sunt conectate prin linii de forță, un astfel de obiect îl va percepe ca o simplă sferă în spațiu, va examina câmpul din jurul său și va părea câmpul unei sarcini punctuale. Doar observatorul va crede că acesta este un fel de substanță misterioasă care are o încărcătură etc., și totul pentru că nu știe că, de fapt, este o gaură de vierme.
Desigur, aceasta este o idee foarte elegantă și mulți au încercat să o dezvolte, dar nu au făcut prea multe progrese, deoarece electronii sunt, până la urmă, obiecte cuantice și, în mod natural, nimeni nu știe să descrie găurile de vierme la nivel cuantic. Dar dacă presupunem că ipoteza este corectă, atunci găurile de vierme sunt mai mult decât un fenomen cotidian, tot ceea ce este asociat cu electricitatea va fi în cele din urmă legată de ele.
Materia exotică este un concept clasic de fizică care descrie orice substanță (de obicei ipotetică) care încalcă una sau mai multe condiții clasice sau nu constă în baroni cunoscuți. Astfel de substanțe pot avea astfel de calități ca densitatea negativă de energie sau respinge mai degrabă decât să atragă din cauza gravitației. Materia exotică este folosită în unele teorii, cum ar fi teoria structurii găurilor de vierme. Cel mai cunoscut reprezentant al materiei exotice este vidul din regiune cu presiune negativă produsă de efectul Casimir.
Ce fel de găuri de vierme există?
- Din punctul de vedere al călătoriei teoretice, există găuri de vierme trecătoare și impasibile. Cele imparabile sunt cele prin care trecerea este distrusă și acest lucru se întâmplă atât de repede încât niciun obiect nu are pur și simplu timp să meargă de la un capăt la altul. Desigur, cel mai interesant pentru studiu este al doilea tip de găuri de vierme - pasabile. Există chiar și o teorie frumoasă care spune că ceea ce ne-am gândit ca niște găuri negre supermasive în centrele galaxiilor sunt de fapt gurile găurilor de vierme. Această teorie este aproape nedezvoltată și, în mod natural, nu a găsit încă nicio confirmare, există, mai degrabă, ca un fel de idee. Esența sa este că în afara găului de vierme, vedeți doar că în centrul galaxiei există un anumit obiect sferic simetric, dar nu puteți spune ce este - o gaură de vierme sau o gaură neagră.pentru că vă aflați în afara acestui obiect.
De fapt, ele se pot distinge doar printr-un singur parametru - masa. Dacă masa se dovedește a fi negativă, atunci acesta este cel mai probabil o gaură de vierme, dar dacă masa este pozitivă, atunci este nevoie de informații suplimentare, deoarece gaura neagră se poate dovedi a fi o gaură de vierme. Masa negativă, în general, este unul dintre momentele centrale ale întregii povești a găurilor de vierme. Deoarece pentru a putea fi pasabilă, o gaură de vierme trebuie să fie umplută cu ceea ce se numește o substanță exotică - o substanță în care, cel puțin în locuri, în anumite puncte, densitatea energetică este negativă.
La nivel clasic, nimeni nu a văzut vreodată o astfel de substanță, dar știm sigur că poate exista în principiu. Au fost înregistrate efecte cuantice care duc la apariția unei astfel de substanțe. Acesta este un fenomen destul de cunoscut și se numește efectul Casimir. A fost înregistrată oficial. Și este conectat tocmai cu existența unei densități negative de energie, care este foarte inspirată.
Efectul Casimir este un efect constând în atracția reciprocă a conducerii corpurilor neîncărcate sub influența fluctuațiilor cuantice într-un vid. Cel mai adesea, vorbim despre două suprafețe de oglindă paralele neîncărcate, situate la o distanță apropiată, dar efectul Casimir există și pentru geometrii mai complexe. Motivul efectului este fluctuațiile energetice ale vidului fizic datorate creării și dispariției constante a particulelor virtuale din acesta. Efectul a fost prezis de fizicianul olandez Hendrik Casimir în 1948 și ulterior confirmat experimental.
În general, în știința cuantică, densitatea negativă a energiei este un lucru destul de comun, cu care, de exemplu, se asociază evaporarea Hawking. Dacă există o astfel de densitate, ne putem pune următoarea întrebare: cât de mare este masa găului negru (parametrul câmpului gravitațional creat de acesta)? Există o soluție la această problemă care se aplică găurilor negre - adică obiectelor cu masă pozitivă și există o soluție care se aplică unei mase negative.
Dacă în gaura de vierme există suficientă materie exotică, atunci în afara masei acestui obiect va fi negativ. Prin urmare, unul dintre principalele tipuri de „observare” a găurilor de vierme este urmărirea obiectelor în raport cu care se poate presupune că acestea au masă negativă. Și dacă găsim un astfel de obiect, atunci cu un grad de probabilitate destul de ridicat putem spune că acesta este un gaura de vierme.
Găurile de vierme sunt, de asemenea, împărțite în intra-lume și inter-lume. Dacă distrugem tunelul dintre cele două guri ale celui de-al doilea tip de găuri, vom putea vedea două universuri complet fără legătură. O astfel de gaură de vierme se numește interworld. Dar dacă facem la fel și vedem că totul este în regulă - am rămas în același Univers - atunci avem o gaură de vierme intra-lume. Aceste două tipuri de găuri de vierme au multe în comun, dar există și o diferență importantă. Cert este că gaura de vierme intra-mondială, dacă există, tinde să se transforme într-o mașină a timpului. De fapt, în contextul acestei presupuneri a apărut ultima creștere a interesului pentru găurile de vierme.
În cazul unei găuri de vierme intra-lume, există două moduri diferite de a privi un vecin: direct prin tunel sau într-un sens giratoriu. Dacă începeți să mișcați o gură dintr-o gaură de vierme în raport cu cealaltă, atunci, în conformitate cu paradoxul binecunoscut al gemenilor, a doua persoană, care se va întoarce din călătorie, va fi mai tânără decât cea rămasă. Pe de altă parte, când privești prin tunel, stai amândoi în laboratoare nemișcate, din punctul tău de vedere, nu se întâmplă nimic, ceasurile tale sunt sincronizate. Astfel, aveți ocazia teoretică de a vă scufunda în acest tunel și de a ieși într-un moment care, din punctul de vedere al unui observator extern, precedă momentul în care v-ați scufundat. Întârzierea adusă la un grad adecvat va da posibilitatea unei astfel de deplasări circulare în spațiu-timp,când reveniți la punctul de plecare inițial și vă strângeți mâna întruparea anterioară.
Paradoxul gemenilor este un experiment de gândire cu care încearcă să „dovedească” inconsistența teoriei speciale a relativității. Potrivit SRT, din punct de vedere al observatorilor „staționari”, toate procesele de mișcare a obiectelor încetinesc. Pe de altă parte, principiul relativității declară egalitatea cadrelor de referință inerțiale. Pe baza acestui fapt, raționamentul este construit, ceea ce duce la o aparentă contradicție. Pentru claritate, este considerată povestea a doi frați gemeni. Unul dintre ei (călătorul) pleacă într-un zbor spațial, iar al doilea (ședere acasă) rămâne pe Pământ. Cel mai adesea, "paradoxul" este formulat după cum urmează:
Din punctul de vedere al unui cartof canapea, ceasul unui călător în mișcare are o trecere lentă a timpului, așa că la întoarcere ar trebui să rămână în spatele ceasului unui cartofi canapea. Pe de altă parte, Pământul se mișca relativ față de călător, așa că ceasul locuinței ar trebui să rămână în urmă. De fapt, frații sunt egali, prin urmare, după ce s-au întors, ceasurile lor ar trebui să arate în același timp. Cu toate acestea, potrivit SRT, ceasul călătorului va rămâne în urmă. Această încălcare a simetriei aparente a fraților este văzută ca o contradicție.
Care este diferența fundamentală între o gaură de vierme și o gaură neagră?
- În primul rând, trebuie să spun că există două tipuri de găuri negre - cele care au fost formate ca urmare a prăbușirii stelelor și cele care au existat inițial, au apărut odată cu apariția Universului însuși. Acestea sunt două tipuri fundamental de diferite găuri negre. La un moment dat a existat un astfel de concept ca "gaura albă", acum este foarte rar folosit. O gaură albă este aceeași neagră, dar evoluează înapoi în timp. Materia doar zboară într-o gaură neagră, dar nu poate scăpa niciodată de acolo. Dintr-o gaură albă, dimpotrivă, materia zboară doar, dar nu poți intra în ea în niciun fel. De fapt, acesta este un lucru foarte firesc dacă ne amintim că teoria generală a relativității este simetrică în timp, ceea ce înseamnă că, dacă există găuri negre, trebuie să existe și găuri albe. Totalitatea lor este o gaură de vierme.
Ce se știe despre structura internă a găurilor de vierme?
- Până acum, în acest sens, se construiesc doar modele. Pe de o parte, știm că aspectul acestei materii exotice ar fi putut fi descoperit chiar și experimental, și încă există o mulțime de întrebări. Singurul model de gaură de vierme cunoscut de mine care este mai mult sau mai puțin în concordanță cu realitatea este modelul unei găuri de vierme care se evaporă inițial (încă de la începutul Universului). Datorită acestei evaporări, o astfel de gaură rămâne pasabilă mult timp.
La ce lucrezi exact?
- Sunt angajat într-o activitate pur teoretică, ceea ce în general se poate numi structura cauzală a spațiului-timp este teoria clasică a relativității, uneori semiclasică (după cum știți, cuantica nu există încă).
În teoria clasică nonrelativistă, se pot obține dovezi suficient de convingătoare că călătoria în timp nu poate exista, dar în relativitate generală nu există asemenea dovezi. Iar Einstein, când tocmai își dezvolta teoria, era conștient de acest lucru. El s-a întrebat dacă există vreo modalitate de a exclude această posibilitate. Atunci nu a mai făcut față acestei sarcini, așa cum a spus el mai târziu el însuși. Deși Einstein a creat un limbaj pentru a studia această problemă, sarcina a rămas academică. Interesul pentru acesta a explodat la sfârșitul anilor 1940, când Gödel a propus un model cosmologic care să conțină astfel de curbe închise.
Dar, întrucât Gödel a oferit întotdeauna ceva exotic, au reacționat la acest lucru cu interes, dar fără consecințe științifice grave. Și apoi, în jurul sfârșitului secolului trecut, mulțumită mai ales științei de ficțiune - de exemplu, filmul „Contactul” cu Jodie Foster - interesul pentru subiectul călătoriilor în timp cu ajutorul găurilor de vierme a fost reînviat. Autorul romanului, potrivit căruia a fost scris scenariul filmului, este un astronom foarte cunoscut, popularizator al științei Carl Sagan.
El a abordat foarte serios problema și i-a cerut prietenului său, de asemenea, un relativist foarte celebru, Kip Thorne, să vadă dacă tot ceea ce este descris în film este posibil din punct de vedere al științei. Și a publicat un articol semi-popular în revista pentru profesorii americani de fizică „Gura de vierme ca instrument pentru studierea Teoriei Generale a Relativității”, unde a considerat posibilitatea călătoriei în timp prin găurile de vierme.
Și trebuie să spun că atunci în știința ficțiunii, ideea de a călători prin găuri negre a fost populară. Dar a înțeles că o gaură neagră este un obiect absolut impenetrabil - călătoria prin ele este imposibilă, așa că a considerat găurile de vierme drept o oportunitate de călătorie în timp. Deși acest lucru se știa înainte, dar din anumite motive, oamenii au luat concluziile sale ca pe o idee complet nouă și s-au grăbit să-l cerceteze. Mai mult, accentul s-a pus pe presupunerea că o mașină a timpului nu poate exista, dar am decis să aflăm de ce. Și destul de repede a devenit clar că nu există obiecții evidente cu privire la existența unei astfel de mașini. De atunci, au început studii la scară mai mare și au început să apară teorii. În general, de atunci și eu fac asta.
„Contact” este un film de știință din 1997. Regia Robert Zemeckis. Parcela principală: Ellie Arroway (Judy Foster) și-a dedicat întreaga viață științei, devine participant la un proiect de căutare a informațiilor extraterestre. Toate încercările de a căuta semnale extraterestre nu sunt roditoare, iar viitorul proiectului ei este în joc. Ellie este disperată să găsească sprijin, dar în mod neașteptat primește ajutor din partea excentricului miliardar Hadden. Și iată rezultatul - Ellie ridică semnalul. Decodarea semnalului arată că conține o descriere a dispozitivului tehnic. Scopul său nu este clar, dar în interior este planificat un loc pentru o persoană.
După crearea și lansarea dispozitivului, Ellie pornește într-o călătorie prin sistemul găurilor de vierme și este transportat, probabil pe o planetă dintr-un alt sistem stelar. Trezindu-se acolo, pe malul mării, întâlnește un reprezentant al unei alte civilizații, care a ales imaginea regretatului ei tată. Privind în jur, eroina își dă seama că această zonă a fost recreată de o minte extraterestră în mintea ei, după chipul unui desen pe care l-a desenat în copilărie. Străinul îi spune că dispozitivul vă permite să organizați un sistem de căi de comunicare interstelare, iar Pământul de acum încolo devine un membru al comunității de civilizații a Universului.
Ellie se întoarce pe Pământ. Din punctul de vedere al observatorilor din afară, după lansarea instalării, nu i s-a întâmplat nimic, iar corpul ei nu a părăsit planeta noastră. Ellie se găsește într-o situație paradoxală. Ca om de știință, din punct de vedere al științei riguroase, nu poate în niciun fel să-și confirme cuvintele. Încă o circumstanță este dezvăluită: camera video atașată lui Ellie în timpul călătoriei nu a înregistrat nimic, dar durata înregistrării goale nu a fost de câteva secunde, ci de 18 ore …
Este posibil să „faceți” o gaură de vierme?
- Doar despre asta există un rezultat științific strict. Acest lucru se datorează faptului că nu există rezultate exacte în studiul găurilor de vierme. Există o teoremă dovedită cu mult timp în urmă și spune următoarele. Există așa ceva ca hiperbolicitatea globală. În acest caz, nu contează deloc ce înseamnă, dar ideea este că, deși spațiul este hiperbolic la nivel global, este imposibil să creezi o gaură de vierme - poate exista în natură, dar nu va funcționa pentru a ne face singuri.
Dacă reușești să spargi hiperbolicitatea globală, atunci poți crea o gaură de vierme. Cert este însă că această încălcare în sine este un lucru atât de exotic, atât de prost studiat și prost înțeles că efectul secundar al nașterii unei găuri de vierme este deja un lucru relativ minor în comparație cu faptul că ai reușit să încalci hiperbolicitatea globală.
Un lucru foarte faimos are loc aici, numit „principiul cenzurii cosmice stricte”, care spune că spațiul este întotdeauna hiperbolic la nivel global. Dar aceasta, în principiu, nu este altceva decât o dorință. Nu există nicio dovadă a corectitudinii acestui principiu, există doar o anumită încredere interioară inerentă multor persoane că spațiul-timp ar trebui să fie global hiperbolic. Dacă da, este imposibil să creezi o gaură de vierme - trebuie să cauți unul existent. Între timp, îndoielile severe cu privire la fidelitatea principiului cenzurii cosmice au fost exprimate de autorul însuși - Roger Penrose, dar aceasta este o altă poveste.
Adică, pentru a crea o gaură de vierme este nevoie de costuri energetice serioase?
- E foarte dificil să spui ceva aici. Problema este că, atunci când hiperbolicitatea ta globală este încălcată, atunci în același timp predictibilitatea este încălcată - acesta este practic același lucru. Puteți schimba într-un fel geometric spațiul din jurul vostru, de exemplu, luați o geantă și puneți-o în alt loc. Dar există anumite limite în care puteți face acest lucru, în special, limita impusă de predictibilitate. De exemplu, uneori puteți spune ce se va întâmpla în 2 secunde, iar alteori nu. Ceea ce poți sau nu poți prezice se află exact în hiperbolicitatea globală. Dacă spațiul dvs. de timp este global hiperbolic, puteți prezice evoluția acestuia.
Dacă presupunem că la un moment dat încalcă hiperbolicitatea globală, totul devine foarte prost cu predictibilitatea. Prin urmare, un lucru uimitor apare, de exemplu, astfel încât chiar acum și acum o gaură de vierme se poate materializa prin care un leu va sări afară. Va fi un fenomen exotic, dar nu va încălca nici o lege a fizicii. Pe de altă parte, puteți cheltui mult efort, bani și resurse pentru a facilita cumva acest proces. Dar rezultatul va fi în continuare același - în ambele cazuri, nu știți dacă va apărea sau nu o gaură de vierme. În fizica clasică, nu putem face nimic în acest sens - dacă vrea, nu va dori, nu va apărea - nu va apărea - știința cuantică nu ne oferă încă indicii în această problemă.
Principiul „cenzurii cosmice” a fost formulat în 1969 de Roger Penrose în următoarea formă figurativă: „Natura aberează o singularitate goală”. Se spune că singularitățile spațiale apar în locuri care, ca și regiunile interioare ale găurilor negre, sunt ascunse observatorilor. Acest principiu nu a fost încă dovedit și există motive de îndoială a corectitudinii sale absolute (de exemplu, prăbușirea unui nor de praf cu un moment unghiular mare duce la o „singularitate goală”, dar nu se știe dacă această soluție a ecuațiilor lui Einstein este stabilă în ceea ce privește micile perturbări ale datelor inițiale).
Formularea lui Penrose (o formă puternică de cenzură cosmică) sugerează că spațiul în ansamblu este hiperbolic global.
Ulterior, Stephen Hawking a propus o formulare diferită (o formă slabă a cenzurii cosmice), în care se presupune doar hiperbolicitatea globală a componentei „viitoare” a spațiului-timp.
Olga Fadeeva
