Gwiezdny wszechświat jest pełen wielu tajemnic. Zgodnie z ogólną teorią względności (GR), stworzoną przez Einsteina, żyjemy w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Jest zakrzywiony, a znana nam wszystkim grawitacja jest przejawem tej właściwości. Materia ugina się, „zagina” przestrzeń wokół siebie, a im bardziej, tym jest gęstsza. Przestrzeń, przestrzeń i czas to bardzo ciekawe tematy. Po przeczytaniu tego artykułu na pewno dowiesz się o nich czegoś nowego.
Pomysł krzywizny
Wiele innych teorii grawitacji, których są dziś setki, różni się szczegółami od ogólnej teorii względności. Jednak wszystkie te astronomiczne hipotezy zachowują główną rzecz - ideę krzywizny. Jeśli przestrzeń jest zakrzywiona, to możemy założyć, że mogłaby przybrać np. kształt rury łączącej obszary oddzielone wieloma latami świetlnymi. A może nawet odległych od siebie epok. W końcu nie mówimy o przestrzeni, która jest nam znana, ale o czasoprzestrzeni, gdy myślimy o kosmosie. Dziura w nimpojawiają się tylko pod pewnymi warunkami. Zapraszamy do bliższego przyjrzenia się tak ciekawemu zjawisku jak tunele czasoprzestrzenne.
Pierwsze pomysły dotyczące tuneli czasoprzestrzennych
Głęboka przestrzeń i jej tajemnice kuszą. Myśli o krzywiźnie pojawiły się natychmiast po opublikowaniu GR. L. Flamm, fizyk austriacki, już w 1916 r. stwierdził, że geometria przestrzenna może istnieć w postaci pewnego rodzaju dziury, która łączy dwa światy. Matematycy N. Rosen i A. Einstein w 1935 zauważyli, że najprostsze rozwiązania równań w ramach ogólnej teorii względności, opisujące izolowane elektrycznie naładowane lub neutralne źródła, które tworzą pola grawitacyjne, mają przestrzenną strukturę „mostową”. Oznacza to, że łączą dwa wszechświaty, dwa prawie płaskie i identyczne czasoprzestrzenie.
Później te przestrzenne struktury stały się znane jako „tule czasoprzestrzenne”, co jest dość luźnym tłumaczeniem angielskiego słowa tunel czasoprzestrzenny. Bliższe tłumaczenie tego to „tunel czasoprzestrzenny” (w kosmosie). Rosen i Einstein nie wykluczyli nawet możliwości wykorzystania tych „mostów” do opisu cząstek elementarnych za ich pomocą. Rzeczywiście, w tym przypadku cząstka jest formacją czysto przestrzenną. Dlatego nie ma potrzeby konkretnego modelowania źródła ładunku czy masy. A odległy obserwator zewnętrzny, jeśli tunel ma mikroskopijne wymiary, widzi tylko źródło punktowe z ładunkiem i masą, gdy znajduje się w jednej z tych przestrzeni.
Einstein-Rosen „Mosty”
Elektryczne linie siły wchodzą do nory z jednej strony, a z drugiej strony wychodzą, nie kończąc się ani nie zaczynając nigdzie. Amerykański fizyk J. Wheeler powiedział przy tej okazji, że uzyskuje się „ładunek bez ładunku” i „masę bez masy”. W tym przypadku wcale nie jest konieczne rozważanie, że most służy do połączenia dwóch różnych wszechświatów. Nie mniej właściwe byłoby założenie, że oba „usta” tunelu czasoprzestrzennego wychodzą do tego samego wszechświata, ale w różnym czasie iw różnych jego punktach. Okazuje się, że coś przypominającego wydrążony „uchwyt”, jeśli jest przyszyte do prawie płaskiego, znanego świata. Linie siły wchodzą do ust, co można rozumieć jako ładunek ujemny (powiedzmy elektron). Usta, z których wychodzą, mają ładunek dodatni (pozyton). Jeśli chodzi o masy, będą takie same po obu stronach.
Warunki powstania „mostów” Einsteina-Rosena
Ten obraz, mimo całej swojej atrakcyjności, z wielu powodów nie zyskał popularności w fizyce cząstek elementarnych. Nie jest łatwo przypisać właściwości kwantowe „mostom” Einsteina-Rosena, które są niezbędne w mikroświecie. Taki „most” w ogóle nie powstaje dla znanych wartości ładunków i mas cząstek (protonów lub elektronów). Zamiast tego rozwiązanie „elektryczne” przewiduje „nagą” osobliwość, to znaczy punkt, w którym pole elektryczne i krzywizna przestrzeni stają się nieskończone. W takich punktach koncepcjaczasoprzestrzeń, nawet w przypadku krzywizny, traci sens, ponieważ niemożliwe jest rozwiązywanie równań, które mają nieskończoną liczbę wyrazów.
Kiedy GR kończy się niepowodzeniem?
Samodzielnie OTO dokładnie określa, kiedy przestaje działać. Na szyi, w najwęższym miejscu „mostka”, dochodzi do naruszenia gładkości połączenia. I trzeba powiedzieć, że jest to raczej nietrywialne. Z pozycji odległego obserwatora czas zatrzymuje się na tej szyi. To, co Rosen i Einstein uważali za gardło, jest teraz zdefiniowane jako horyzont zdarzeń czarnej dziury (naładowanej lub neutralnej). Promienie lub cząstki z różnych stron „mostu” padają na różne „odcinki” horyzontu. A między jego lewą i prawą częścią, względnie mówiąc, znajduje się obszar niestatyczny. Aby ominąć ten obszar, nie można go nie ominąć.
Niemożność przejścia przez czarną dziurę
Statek kosmiczny zbliżający się do horyzontu stosunkowo dużej czarnej dziury wydaje się zamarzać na zawsze. Coraz rzadziej docierają z niego sygnały… Wręcz przeciwnie, horyzont według zegara okrętowego osiągany jest w skończonym czasie. Kiedy statek (wiązka światła lub cząsteczka) mija go, wkrótce wpadnie w osobliwość. Tutaj krzywizna staje się nieskończona. W osobliwości (wciąż w drodze do niej) rozciągnięte ciało nieuchronnie zostanie rozdarte i zmiażdżone. Taka jest rzeczywistość działania czarnej dziury.
Dalsze badania
W latach 1916-17. Otrzymano roztwory Reisnera-Nordströma i Schwarzschilda. W nichsferycznie opisuje symetryczne, naładowane elektrycznie i neutralne czarne dziury. Jednak fizycy byli w stanie w pełni zrozumieć złożoną geometrię tych przestrzeni dopiero na przełomie lat 50. i 60. XX wieku. Wtedy to D. A. Wheeler, znany ze swojej pracy w teorii grawitacji i fizyce jądrowej, zaproponował terminy „tunel czasoprzestrzenny” i „czarna dziura”. Okazało się, że w przestrzeniach Reisnera-Nordströma i Schwarzschilda rzeczywiście istnieją tunele czasoprzestrzenne. Są całkowicie niewidoczne dla odległego obserwatora, jak czarne dziury. I podobnie jak one, tunele czasoprzestrzenne w kosmosie są wieczne. Ale jeśli podróżnik przeniknie poza horyzont, zapadają się tak szybko, że ani promień światła, ani masywna cząstka, nie mówiąc już o statku, nie może przez nie przelecieć. Aby polecieć do innych ust, omijając osobliwość, musisz poruszać się szybciej niż światło. Obecnie fizycy uważają, że prędkości energii i materii supernowych są zasadniczo niemożliwe.
Czarne dziury Schwarzschilda i Reisnera-Nordströma
Czarną dziurę Schwarzschilda można uznać za nieprzeniknioną dziurę czasoprzestrzenną. Jeśli chodzi o czarną dziurę Reisner-Nordström, jest ona nieco bardziej skomplikowana, ale także nieprzejezdna. Mimo to nie jest trudno wymyślić i opisać czterowymiarowe tunele czasoprzestrzenne w kosmosie, które można by przemierzyć. Musisz tylko wybrać rodzaj metryki, której potrzebujesz. Tensor metryki lub metryka to zestaw wartości, których można użyć do obliczenia czterowymiarowych odstępów między punktami zdarzeń. Ten zestaw wartości w pełni charakteryzuje zarówno pole grawitacyjne, jak igeometria czasoprzestrzeni. Geometrycznie przejezdne tunele czasoprzestrzenne w kosmosie są nawet prostsze niż czarne dziury. Nie mają horyzontów, które z biegiem czasu prowadzą do kataklizmów. W różnych momentach czas może płynąć w różnym tempie, ale nie powinien się zatrzymywać ani przyspieszać w nieskończoność.
Dwie linie badań tuneli czasoprzestrzennych
Natura zablokowała pojawienie się tuneli czasoprzestrzennych. Jednak człowiek jest tak zaaranżowany, że jeśli pojawi się przeszkoda, zawsze znajdą się tacy, którzy chcą ją pokonać. A naukowcy nie są wyjątkiem. Prace teoretyków zajmujących się badaniem tuneli czasoprzestrzennych można warunkowo podzielić na dwa uzupełniające się obszary. Pierwsza dotyczy rozważenia ich konsekwencji, zakładając z góry, że tunele czasoprzestrzenne istnieją. Przedstawiciele drugiego kierunku próbują zrozumieć, z czego i jak mogą się pojawić, jakie warunki są niezbędne do ich wystąpienia. W tym kierunku jest więcej prac niż w pierwszym i być może są one ciekawsze. Obszar ten obejmuje poszukiwanie modeli tuneli czasoprzestrzennych, a także badanie ich właściwości.
Osiągnięcia rosyjskich fizyków
Jak się okazało, właściwości materii, która jest materiałem do budowy tuneli czasoprzestrzennych, można zrealizować dzięki polaryzacji próżni pól kwantowych. Do takiego wniosku doszli niedawno rosyjscy fizycy Siergiej Suszkow i Arkady Popow wraz z hiszpańskim badaczem Davidem Hochbergiem i Siergiejem Krasnikowem. Próżnia w tym przypadku nie jestpustka. Jest to stan kwantowy charakteryzujący się najniższą energią, czyli polem, w którym nie ma rzeczywistych cząstek. Na tym polu nieustannie pojawiają się pary „wirtualnych” cząstek, znikające zanim zostaną wykryte przez urządzenia, ale pozostawiające swój ślad w postaci tensora energii, czyli impulsu charakteryzującego się niezwykłymi właściwościami. Pomimo tego, że kwantowe właściwości materii przejawiają się głównie w mikrokosmosie, generowane przez nie tunele czasoprzestrzenne w określonych warunkach mogą osiągać znaczne rozmiary. Nawiasem mówiąc, jeden z artykułów Krasnikowa nosi tytuł „Zagrożenie tunelami czasoprzestrzennymi”.
Kwestia filozofii
Jeśli tunele czasoprzestrzenne zostaną kiedykolwiek zbudowane lub odkryte, dziedzina filozofii zajmująca się interpretacją nauki stanie przed nowymi wyzwaniami, i muszę powiedzieć, bardzo trudnymi. Mimo całej pozornej absurdalności pętli czasowych i trudnych problemów przyczynowości, ta dziedzina nauki prawdopodobnie kiedyś to rozwiąże. Tak jak zajmowali się problemami mechaniki kwantowej i teorii względności stworzonej przez Einsteina. Przestrzeń, przestrzeń i czas - wszystkie te pytania interesują ludzi w każdym wieku i najwyraźniej zawsze będą nas interesować. Całkowite poznanie ich jest prawie niemożliwe. Eksploracja kosmosu prawdopodobnie nigdy się nie zakończy.
