Vajon az űrhajósok túlélnek-e egy csillagközi utat egy féreglyukon keresztül?

A Csillagközi űroperaban az emberiség megmentésére törekvő űrhajósok életmentőt találtak: egy féreglyuk, amely titokzatosan megjelent a Szaturnusz mellett. Az űridőn áthaladó alagút távoli galaxishoz vezet és lehetőséget arra, hogy olyan lakható bolygót találjon, amelyet az emberek gyarmatosíthatnak. A film féreglyuk valódi fizikán alapul, nyugdíjas CalTech professzor, Kip Thorne, az asztrofizika úttörőjeként, aki szintén segített Carl Sagan számára a féreglyuk megtervezésében a Contact című regényhez. A vizualizációk lenyűgözőek, és üdvözlik őket a féreglyukak és a film fekete lyukainak legpontosabb szimulációjaként. De van egy szempont, hogy belemerüljön egy csillagközi kifejezésbe, amelyre a film nem szól: Hogyan élje túl az utazást?

kapcsolodo tartalom

• Stephen Hawking azt gondolja, hogy meg tudjuk oldani egy hatalmas fekete lyuk rejtélyt
• A fizikusok féreglyukat készítettek a mágnesek számára
• Miért tartozik a "Csillagközi" a legjobb "reális" tudományos fantasztikus film Pantheonjába?
• Myst féreglyuk könyve a való élet legközelebbi dolga

Bár nem hívták ilyennek, az eredeti féreglyuk Albert Einstein és asszisztensének, Nathan Rosennek agyháza volt. Einstein általános relativitáselméleti egyenleteit próbálták megoldani oly módon, hogy végül az egész univerzum tisztán matematikai modelljéhez vezetjenek, ideértve a gravitációt és az anyagot alkotó részecskéket. Kísérleteik során a tér leírása két geometriai lap volt, amelyeket „hidak” kötöttek össze, és amelyeket részecskékként érzékelünk.

Egy másik fizikus, Ludwig Flamm, 1916-ban önállóan fedezte fel ezeket a hidakat Einstein egyenletének megoldásában. Mindannyian sajnos ez a "mindent elmélet" nem működött, mert az elméleti hidak végül nem úgy viselkedtek, mint valódi részecskék. De Einstein és Rosen 1935-ös tanulmánya népszerűsítette az alagút fogalmát az űridőn keresztül, és más fizikusokat arra késztette, hogy komolyan gondolkodjanak a következményeken.

A Princeton fizikus, John Wheeler az 1960-as években megalkotta a „féreglyuk” kifejezést, amikor az Einstein-Rosen hidak modelljét vizsgálta. Megjegyezte, hogy a hidak azokhoz a lyukakhoz hasonlítanak, amelyeket a férgek az almán keresztül hordtak. Az alma egyik oldaláról a másikra mászó hangya akár teljes egészében elfordulhat az ívelt felülete körül, vagy egy parancsikont átvehet a féreg alagútjában. Képzelje el most, hogy háromdimenziós téridőnk egy alma bőrét képezi, amely egy magasabb dimenzió körül görbül, úgynevezett "ömlesztett". Az Einstein-Rosen-híd egy olyan alagút, amelyen keresztül haladhat az ösvény, amely lehetővé teszi az utazók számára, hogy gyors sávot tegyenek az űrben lévő két pont között. Különösnek hangzik, de legitim matematikai megoldás az általános relativitáselméletre.

Wheeler rájött, hogy az Einstein-Rosen hidak szája pontosan megfelel a Schwarzschild fekete lyuknak nevezett ismert leírásnak, amely egy olyan egyszerű anyaggömb, amely olyan sűrű, hogy még a fény sem képes elkerülni gravitációs vonzódását. Aha! A csillagászok úgy vélik, hogy léteznek fekete lyukak, és akkor képződnek, amikor a rendkívül hatalmas csillagok magjai összeomlanak. Tehát lehetnek-e a fekete lyukak féreglyukak is, és így kapuk a csillagközi utazáshoz? Matematikai szempontból talán - de senki sem fogja túlélni az utazást.

A Schwarzschild-modellben a fekete lyuk sötét szíve szingularitás, egy semleges, mozgó gömb, végtelen sűrűséggel. Wheeler kiszámította, hogy mi történne, ha egy féreglyuk születik, amikor az univerzum távoli részein két szingularitás ömlesztve egyesül, alagútot képezve a Schwarzschild fekete lyukak között. Megállapította, hogy egy ilyen féreglyuk eredendően instabil: alagút alakul ki, de azután összehúzódik és megszorul, így mindössze két szingularitás marad. Ez a növekedési és összehúzódási folyamat olyan gyorsan megy végbe, hogy még a fény sem jut át ​​az alagúton, és az átmenni próbáló űrhajós szingularitást tapasztal. Ez hirtelen halál, mivel a hatalmas gravitációs erők széttépik az utazót.

"Bármi, vagy bárki, aki megpróbálja az utat, elpusztul az elszívás során!" Thorne társkönyvében írja a The Science of Interstellar című filmet.

A csillagközi tudomány

Amazon.com: A csillagközi tudomány (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Könyvek

Van egy alternatíva: egy forgó Kerr fekete lyuk, amely az általános relativitáselmélet másik lehetősége. A Kerr fekete lyukán belüli szingularitás gyűrű, szemben a gömbvel, és egyes modellek szerint a személyek túlélhetik az utat, ha szépen áthaladnak a gyűrű közepén, mint egy kosárlabda egy karika segítségével. Thorne-nak azonban számos kifogása van e gondolat ellen. A féreglyuk útján történő utazásról szóló 1987. évi cikkben megjegyzi, hogy a Kerr féreglyuk torkán egy olyan régió található, amelyet Cauchy horizontnak hívnak, amely nagyon instabil. A matematika azt mondja, hogy amint bármi, akár fény is, megpróbálja áthaladni ezen a láthatáron, az alagút összeomlik. Még ha a féreglyukot valamilyen módon is stabilizálhatjuk, a kvantumelmélet azt mondja nekünk, hogy a belsejét nagy energiájú részecskékkel kell elárasztani. Állítsa be a lábát egy Kerr féreglyukba, és ropogósra sütjük.

A trükk az, hogy a fizikának még nem szabad feleségül vennie a klasszikus gravitációs szabályokat a kvantumvilággal - egy matematika megfoghatatlan részével, amelyet sok kutató megpróbál meghatározni. A kép egyik csavarásával Juan Maldacena (Princeton) és Leonard Susskind (Stanford) azt javasolta, hogy a féreglyukak hasonlóak legyenek az összefonódás fizikai megnyilvánulásaihoz, amikor a kvantumobjektumok egymástól függetlenül kapcsolódnak egymástól.

Einstein híresen jellemezte az összefonódást mint "kísérteties távolról történő cselekedet", és ellenállt a gondolatnak. De sok kísérlet azt mondja nekünk, hogy az összefonódás valódi - kereskedelmi szempontból már felhasználják az online kommunikáció, például banki tranzakciók védelmére. Maldacena és Susskind szerint nagy összefonódás következtében megváltozik a téridő geometriája, és féreglyukakat okozhat összefonódott fekete lyukak formájában. De változatuk nem csillagközi átjáró.

"Ezek féreglyukak, amelyek nem engedik meg, hogy a fénynél gyorsabban utazzon" - mondja Maldacena. "Ugyanakkor megengedhetik, hogy valakivel találkozzanak valakivel, azzal a kis figyelmeztetéssel, hogy mindketten gravitációs szingularitásuk miatt meghalnak."

OK, tehát a fekete lyukak problémát jelentenek. Mi lehet a féreglyuk? Avi Loeb a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központban azt állítja, hogy lehetőségeink széles körben nyitottak: "Mivel még nem létezik olyan elmélet, amely megbízhatóan egységesíti az általános relativitáselméletet a kvantummechanikával, nem tudjuk az esetleges űridő-struktúrák egész állatkertjét, amelybe be tudnánk helyezni a képeket. féreglyukak „.

Még mindig van egy akadály. Thorne 1987-es munkájában megállapította, hogy minden olyan féreglyuk, amely megfelel az általános relativitáselméletnek, összeomlik, hacsak nem nyitja meg azt, amit negatív energiával "egzotikus anyagnak" hív. Azt állítja, hogy bizonyítékokkal rendelkezünk egzotikus anyaggal olyan kísérletek eredményeként, amelyek megmutatták, hogy a vákuumban lévő kvantumingadozások hogyan mutatnak negatív nyomást két egymáshoz közel elhelyezkedő tükr között. És Loeb szerint a sötét energiával kapcsolatos megfigyeléseink további utalások arra, hogy egzotikus anyag létezhet.

"Megfigyeljük, hogy a közelmúltbeli kozmikus történelem során a galaxisok egyre növekvő sebességgel menekültek tőlünk, mintha visszataszító gravitáció hatna rájuk" - mondja Loeb. "Az univerzum felgyorsult kiterjedése magyarázható, ha a világegyetem olyan anyaggal van tele, amelynek negatív nyomása van ... ugyanúgy, mint a féreglyuk létrehozásához szükséges anyag." Mindkét fizikus ugyanakkor egyetért abban, hogy túl sok egzotikus anyagra van szükség ahhoz, hogy a féreglyuk valaha természetes formában létrejöjjön, és csak egy magasan fejlett civilizáció remélhette valaha, hogy összegyűjti a cuccot a féreglyuk stabilizálásához.

Más fizikusok azonban nem meggyőződve arról. "Úgy gondolom, hogy egy stabil, átjárható féreglyuk nagyon zavaró lehet, és ellentmondásosnak tűnik az általunk ismert fizikai törvényekkel" - mondja Maldacena. Sabine Hossenfelder a svédországi Elméleti Fizikai Intézetben még szkeptikusabb: "Abszolút nincsen jele annak, hogy ez létezik. Valójában széles körben úgy gondolják, hogy nem létezhet, mert ha a vákuum instabil lenne." Még ha egzotikus anyag is elérhető lenne, akkor lehet, hogy az utazás nem elég. A pontos hatások a féreglyuk körüli téridő görbületétől és a benne lévő energia sűrűségétől függnek. "Ez nagyjából ugyanúgy, mint a fekete lyukak esetén: túl sok az árapály-erõ, és szétszakad."

Annak ellenére, hogy a filmhez kötődik, Thorne pesszimista is abban, hogy még egy átjárható féreglyuk is lehetséges, sokkal kevésbé túlélhető. "Ha léteznek, nagyon kétlem, hogy természetesen képesek-e kialakulni az asztrofizikai univerzumban" - írja a könyvben. Thorne azonban méltányolja, hogy Christopher és Jonah Nolan, akik az Interstellar -t írták, annyira szerették volna elmondani egy történetet, amely a tudomány alapja.

"A történet ma alapvetően minden Chris és Jonahé" - mondta Thorne egy exkluzív interjúban a Wired -nek. "De a szellemét, a filmet, amelynek a tudomány a kezdetektől fogva beágyazódik a szövetbe - és ez nagyszerű tudomány -, megőriztük."