Czy astronauci przetrwaliby podróż międzygwiezdną przez tunel czasoprzestrzenny?

W międzygwiezdnej operze astronauci próbujący ocalić ludzkość znaleźli linię życia: tunel czasoprzestrzenny, który w tajemniczy sposób pojawił się obok Saturna. Tunel czasoprzestrzenny prowadzi do odległej galaktyki i szansy na znalezienie planet nadających się do zamieszkania, które ludzie mogą skolonizować. Tunel czasoprzestrzenny filmu oparty jest na prawdziwej fizyce emerytowanego profesora CalTech Kipa Thorne'a, pioniera astrofizyki, który również pomógł Carlowi Saganowi zaprojektować tunel czasoprzestrzenny do powieści Kontakt . Wizualizacje są oszałamiające i okrzyknięte są jednymi z najdokładniejszych symulacji tuneli czasoprzestrzennych i czarnych dziur w filmie. Ale jest jeden aspekt zanurzenia się w ekspres międzygwiezdny, którego film nie dotyczy: Jak przetrwać podróż?

powiązana zawartość

• Stephen Hawking uważa, że ​​możemy rozwiązać tajemnicę czarnej dziury za pomocą włosów
• Fizycy zbudowali tunel czasoprzestrzenny dla magnesów
• Dlaczego „Międzygwiezdny” należy do Panteonu najlepszych „realistycznych” filmów science fiction
• Najbliższa rzecz w prawdziwym życiu do Morm's Book Wormhole Book

Chociaż nie nazywali tego tak, oryginalny tunel czasoprzestrzenny był pomysłem Alberta Einsteina i jego asystenta Nathana Rosena. Próbowali rozwiązać równania Einsteina dla ogólnej teorii względności w sposób, który ostatecznie doprowadziłby do czysto matematycznego modelu całego wszechświata, w tym grawitacji i cząstek tworzących materię. Ich próba polegała na opisaniu przestrzeni jako dwóch arkuszy geometrycznych połączonych „mostami”, które postrzegamy jako cząstki.

Inny fizyk, Ludwig Flamm, samodzielnie odkrył takie mosty w 1916 roku w swoim rozwiązaniu równań Einsteina. Niestety dla wszystkich z nich ta „teoria wszystkiego” nie zadziałała, ponieważ teoretyczne mosty ostatecznie nie zachowywały się jak prawdziwe cząstki. Ale artykuł Einsteina i Rosen z 1935 r. Spopularyzował koncepcję tunelu przez tkaninę czasoprzestrzeni i skłonił innych fizyków do poważnego zastanowienia się nad implikacjami.

Fizyk z Princeton, John Wheeler, ukuł termin „tunel czasoprzestrzenny” w latach 60. XX wieku, kiedy badał modele mostów Einsteina-Rosen. Zauważył, że mosty przypominają dziury, które robaki przenikają przez jabłka. Mrówka czołgająca się z jednej strony jabłka na drugą może albo plądrować wokół swojej zakrzywionej powierzchni, albo skrócić tunel robaka. Teraz wyobraź sobie, że nasza trójwymiarowa czasoprzestrzeń jest skórką jabłka, która zakręca się wokół wyższego wymiaru zwanego „masą”. Most Einsteina-Rosen to tunel przechodzący przez masę, który umożliwia podróżnym szybkie przejście między dwoma punktami w kosmosie. Brzmi dziwnie, ale jest to matematyczne rozwiązanie ogólnej teorii względności.

Wheeler zdał sobie sprawę, że ujścia mostów Einsteina-Rosena pasują do opisów tak zwanej czarnej dziury Schwarzschilda, prostej kuli materii tak gęstej, że nawet światło nie jest w stanie uciec przed siłą grawitacji. Ah-ha! Astronomowie wierzą, że czarne dziury istnieją i powstają, gdy rdzenie niezwykle masywnych gwiazd zapadają się na sobie. Czy czarne dziury mogą być tunelami czasoprzestrzennymi, a tym samym bramami do podróży międzygwiezdnych? Z matematycznego punktu widzenia może, ale nikt nie przeżyłby podróży.

W modelu Schwarzschilda ciemne serce czarnej dziury jest osobliwością, neutralną, nieruchomą kulą o nieskończonej gęstości. Wheeler obliczył, co by się stało, gdyby powstał tunel czasoprzestrzenny, gdy dwie osobliwości w odległych częściach wszechświata łączą się w masie, tworząc tunel między czarnymi dziurami Schwarzschilda. Odkrył, że taki tunel czasoprzestrzenny jest z natury niestabilny: tunel formuje się, ale potem kurczy się i szczypie, pozostawiając cię jeszcze raz z dwoma osobliwościami. Ten proces wzrostu i skurczu przebiega tak szybko, że nawet światło nie przedostaje się przez tunel, a astronauta próbujący przejść, napotka osobliwość. To nagła śmierć, ponieważ ogromne siły grawitacyjne rozerwałyby podróżnika na strzępy.

„Cokolwiek lub ktokolwiek, kto podejmie próbę podróży, zostanie zniszczony w wyniku szczypania!” Thorne pisze w swojej książce do filmu The Science of Interstellar .

The Science of Interstellar

Amazon.com: The Science of Interstellar (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Książki

Istnieje alternatywa: obracająca się czarna dziura Kerr, która jest kolejną możliwością ogólnej teorii względności. Osobliwość wewnątrz czarnej dziury Kerr to pierścień w przeciwieństwie do kuli, a niektóre modele sugerują, że osoba może przetrwać podróż, jeśli przejdzie równo przez środek tego pierścienia jak koszykówka przez obręcz. Thorne ma jednak szereg zastrzeżeń do tego pojęcia. W artykule z 1987 r. Dotyczącym podróży przez tunel czasoprzestrzenny zauważa, że ​​gardło tunelu czasoprzestrzennego Kerr zawiera region zwany horyzontem Cauchy'ego, który jest bardzo niestabilny. Matematyka mówi, że jak tylko cokolwiek, nawet światło, próbuje przejść przez ten horyzont, tunel zapada się. Nawet jeśli tunel czasoprzestrzenny można w jakiś sposób ustabilizować, teoria kwantowa mówi nam, że wnętrze powinno być zalane cząstkami o wysokiej energii. Ustaw stopę w tunelu czasoprzestrzennym Kerr, a będziesz usmażony na chrupki.

Sztuką jest to, że fizyka musi jeszcze połączyć klasyczne reguły grawitacji ze światem kwantowym, nieuchwytną cząstką matematyki, którą wielu badaczy próbuje określić. Jednym obrotem tego obrazu Juan Maldacena z Princeton i Leonard Susskind z Stanford zaproponowali, że tunele czasoprzestrzenne mogą być podobnymi do fizycznych przejawów splątania, gdy obiekty kwantowe są połączone bez względu na to, jak daleko są od siebie.

Einstein opisał uwikłanie jako „upiorną akcję na odległość” i oparł się temu pojęciu. Ale wiele eksperymentów mówi nam, że uwikłanie jest prawdziwe - jest już wykorzystywane komercyjnie do ochrony komunikacji online, takiej jak transakcje bankowe. Według Maldaceny i Susskinda duże ilości splątania zmieniają geometrię czasoprzestrzeni i mogą powodować powstawanie tuneli czasoprzestrzennych w postaci splątanych czarnych dziur. Ale ich wersja nie jest bramą międzygwiezdną.

„To tunele czasoprzestrzenne, które nie pozwalają podróżować szybciej niż światło” - mówi Maldacena. „Mogą jednak pozwolić ci spotkać się z kimś w środku, z małym zastrzeżeniem, że oboje umrą wówczas w osobliwości grawitacyjnej”.

OK, więc czarne dziury są problemem. Czym zatem może być tunel czasoprzestrzenny? Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics mówi, że nasze opcje są szeroko otwarte: „Ponieważ nie mamy jeszcze teorii, która rzetelnie łączy ogólną teorię względności z mechaniką kwantową, nie znamy całego zoo możliwych struktur czasoprzestrzennych, które mogłyby pomieścić tunele czasoprzestrzenne. ”

Ciągle jest problem. Thorne odkrył w swojej pracy z 1987 roku, że każdy tunel czasoprzestrzenny zgodny z ogólną teorią względności upadnie, chyba że zostanie podparty przez coś, co nazywa „materią egzotyczną” o ujemnej energii. Twierdzi, że mamy dowody na istnienie egzotycznej materii dzięki eksperymentom pokazującym, w jaki sposób fluktuacje kwantowe w próżni wydają się wytwarzać podciśnienie między dwoma zwierciadłami umieszczonymi bardzo blisko siebie. Loeb uważa, że ​​nasze obserwacje ciemnej energii są dalszymi wskazówkami, że może istnieć egzotyczna materia.

„Obserwujemy, że w najnowszej kosmicznej historii galaktyki uciekały przed nami z prędkością, która rośnie z czasem, jakby działały na nie odpychająco grawitacja” - mówi Loeb. „To przyspieszone rozszerzanie się wszechświata można wyjaśnić, jeśli wszechświat jest wypełniony substancją, która ma podciśnienie… podobnie jak materiał potrzebny do utworzenia tunelu czasoprzestrzennego”. Obaj fizycy zgadzają się jednak, że potrzebowałbyś zbyt dużej ilości egzotycznej materii, aby tunel czasoprzestrzenny mógł kiedykolwiek powstać naturalnie, i tylko bardzo zaawansowana cywilizacja mogłaby kiedykolwiek mieć nadzieję zebrać wystarczającą ilość materiału, aby ustabilizować tunel czasoprzestrzenny.

Ale inni fizycy nie są przekonani. „Myślę, że stabilny, przechodzący tunel czasoprzestrzenny byłby bardzo zagmatwany i wydaje się niezgodny z prawami fizyki, które znamy” - mówi Maldacena. Sabine Hossenfelder z Nordyckiego Instytutu Fizyki Teoretycznej w Szwecji jest jeszcze bardziej sceptyczna: „Mamy absolutnie zero wskazań, że to istnieje. W rzeczywistości powszechnie uważa się, że nie może istnieć, ponieważ gdyby to zrobiło, próżnia byłaby niestabilna”. Nawet jeśli egzotyczna materia była dostępna, podróżowanie po niej może nie być ładne. Dokładne efekty zależą od krzywizny czasoprzestrzeni wokół tunelu czasoprzestrzennego i gęstości energii w niej, mówi. „To tak samo, jak w przypadku czarnych dziur: zbyt duże siły pływowe i rozrywasz się na strzępy”.

Pomimo swoich powiązań z filmem Thorne jest również pesymistą, że przejście tunelu czasoprzestrzennego jest możliwe, a tym bardziej nie do przeżycia. „Jeśli mogą istnieć, bardzo wątpię, aby mogły się naturalnie formować we wszechświecie astrofizycznym” - pisze w książce. Ale Thorne docenia fakt, że Christopher i Jonah Nolan, którzy napisali Interstellar, tak chętnie opowiadali historię opartą na nauce.

„Ta historia jest teraz zasadniczo w całości opowiadaniem Chrisa i Jonasza” - powiedział Thorne Wiredowi w ekskluzywnym wywiadzie. „Ale jego duch, cel stworzenia filmu, w którym nauka jest osadzona w materiale od samego początku - i to jest wielka nauka - został zachowany”.