Hoe schud je jezelf de hand, wie is er uit de toekomst ingevlogen? Waarom kan er plotseling een leeuw verschijnen in uw kamer? Hoe kom je bij een ander universum, bezoek je een tijdmachine en wat is een "wit gat"? Sergey Krasnikov, een senior onderzoeker aan het Star Physics Laboratory of the Main (Pulkovo) Observatory, sprak hierover.
Sergey Vladilenovich, wat is een wormgat?
- Er is geen erg strikte definitie. Dergelijke definities zijn nodig als je sommige stellingen bewijst, maar er zijn bijna geen rigoureuze stellingen, daarom zijn ze voornamelijk beperkt tot figuratieve concepten, afbeeldingen. Stel je voor dat we een bal uit onze driedimensionale ruimte in de ene kamer haalden en precies dezelfde bal in een andere kamer eruit haalden, en de resulterende grenzen van deze gaten lijmen.
Dus als we in de ene kamer in deze voormalige bal stappen, die een gat is geworden, komen we in een andere kamer tevoorschijn - uit een gat dat gevormd is in plaats van een andere bal. Als onze ruimte niet driedimensionaal was, maar tweedimensionaal, zou het eruit zien als een vel papier waarop een pen is geplakt. De driedimensionale analoog en zijn ontwikkeling in de tijd wordt een wormgat genoemd.
Hoe worden wormgaten bestudeerd?
- Dit is een puur theoretische activiteit. Niemand heeft ooit wormgaten gezien, en over het algemeen is er geen zekerheid dat ze helemaal bestaan. Ze begonnen de wormgaten te bestuderen, uitgaande van de vraag: zijn er zulke mechanismen in de natuur die ons zouden garanderen dat zulke gaten in de natuur niet kunnen bestaan? Deze mechanismen zijn niet gevonden, dus we kunnen aannemen dat wormgaten een reëel fenomeen zijn.
Is het in principe mogelijk om een wormgat te zien?
Promotie video:
- Natuurlijk. Als je in een afgesloten ruimte plots uit het niets een persoon kruipt, dan zie je een wormgat. Wormgaten als studieobject werden uitgevonden en gepromoot door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Wheeler, die met hun hulp elektrische ladingen wilde verklaren, niet meer en niet minder. Laten we het uitleggen. Het beschrijven van een vrij elektrisch veld vanuit het oogpunt van theoretische fysica is geen erg moeilijke taak.
Maar het is erg moeilijk om een elektrische lading vanuit hetzelfde oogpunt te beschrijven. Een elektrische lading verschijnt in deze zin als iets heel mysterieus: een of andere substantie, los van het veld, van onbekende oorsprong, en het is niet duidelijk hoe ermee om te gaan in de klassieke fysica. Wheeler's idee was als volgt. Laten we zeggen dat we een microscopisch wormgat hebben, dat bezaaid is met krachtlijnen - van het ene uiteinde komen deze lijnen erin en van het andere gaan ze eruit.
Een externe waarnemer die niet weet dat deze twee uiteinden met elkaar verbonden zijn door krachtlijnen, zal een dergelijk object het als een simpele bol in de ruimte waarnemen, het veld eromheen onderzoeken en het zal eruit zien als het veld van een puntlading. Alleen de waarnemer zal denken dat dit een soort mysterieuze substantie is die een lading heeft, enz., En dat allemaal omdat hij niet weet dat het in feite een wormgat is.
Dit is natuurlijk een heel elegant idee, en velen hebben geprobeerd het te ontwikkelen, maar ze hebben niet veel vooruitgang geboekt, want elektronen zijn tenslotte kwantumobjecten en natuurlijk weet niemand hoe hij wormgaten op kwantumniveau moet beschrijven. Maar als we aannemen dat de hypothese klopt, dan zijn wormgaten meer dan een alledaags fenomeen, alles wat met elektriciteit te maken heeft, zal er uiteindelijk mee verbonden zijn.
Exotische materie is een klassiek natuurkundig concept dat elke (meestal hypothetische) substantie beschrijft die een of meer klassieke voorwaarden schendt, of die niet uit bekende baryonen bestaat. Dergelijke stoffen kunnen eigenschappen hebben als een negatieve energiedichtheid of eerder afstoten dan aantrekken door de zwaartekracht. Exotische materie wordt in sommige theorieën gebruikt, zoals de theorie van de structuur van wormgaten. De bekendste vertegenwoordiger van exotische materie is het vacuüm in de regio met onderdruk geproduceerd door het Casimir-effect.
Wat voor soort wormgaten zijn er?
- Vanuit het oogpunt van theoretisch reizen zijn er begaanbare en onbegaanbare wormgaten. Onoverbrugbare zijn die waardoor de doorgang wordt vernietigd, en dit gebeurt zo snel dat geen enkel object de tijd heeft om van het ene eind naar het andere te gaan. Het meest interessante voor studie is natuurlijk het tweede type wormgaten - redelijk. Er is zelfs een prachtige theorie die zegt dat wat we vroeger als superzware zwarte gaten in de centra van melkwegstelsels beschouwden, eigenlijk de monden van wormgaten zijn. Deze theorie is bijna onontwikkeld en heeft natuurlijk nog geen bevestiging gevonden, het bestaat eerder als een soort idee. De essentie is dat je buiten het wormgat alleen ziet dat er in het centrum van de melkweg een bepaald sferisch symmetrisch object is, maar je kunt niet zeggen wat het is - een wormgat of een zwart gat.omdat je buiten dit object bent.
In feite kunnen ze alleen worden onderscheiden door één parameter - massa. Als de massa negatief blijkt te zijn, dan is dit hoogstwaarschijnlijk een wormgat, maar als de massa positief is, dan is aanvullende informatie nodig, omdat het zwarte gat een wormgat kan blijken te zijn. Negatieve massa in het algemeen is een van de centrale momenten in het hele wormgatverhaal. Omdat om begaanbaar te zijn, een wormgat gevuld moet worden met wat een exotische substantie wordt genoemd - een substantie waarin, althans op sommige plaatsen, op sommige punten de energiedichtheid negatief is.
Op klassiek niveau heeft nog nooit iemand zo'n stof gezien, maar we weten zeker dat het in principe kan bestaan. Er zijn kwantumeffecten geregistreerd die leiden tot het verschijnen van een dergelijke stof. Dit is een vrij bekend fenomeen en wordt het Casimir-effect genoemd. Het is officieel geregistreerd. En het is precies verbonden met het bestaan van negatieve energiedichtheid, wat erg inspirerend is.
Het Casimir-effect is een effect dat bestaat in de wederzijdse aantrekking van geleidende ongeladen lichamen onder invloed van kwantumfluctuaties in een vacuüm. Meestal hebben we het over twee parallelle ongeladen spiegeloppervlakken die zich op korte afstand bevinden, maar het Casimir-effect bestaat ook voor meer complexe geometrieën. De reden voor het effect zijn energetische fluctuaties van het fysieke vacuüm als gevolg van de constante creatie en verdwijning van virtuele deeltjes erin. Het effect werd in 1948 voorspeld door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir en later experimenteel bevestigd.
Over het algemeen is in de kwantumwetenschap negatieve energiedichtheid een vrij algemeen verschijnsel, waarmee bijvoorbeeld Hawking-verdamping wordt geassocieerd. Als een dergelijke dichtheid bestaat, kunnen we de volgende vraag stellen: hoe groot is de massa van het zwarte gat (de parameter van het zwaartekrachtveld dat erdoor wordt gecreëerd)? Er is een oplossing voor dit probleem die van toepassing is op zwarte gaten, dat wil zeggen objecten met een positieve massa, en er is een oplossing die van toepassing is op een negatieve massa.
Als er genoeg exotische materie in het wormgat zit, zal buiten de massa van dit object negatief zijn. Daarom is een van de belangrijkste soorten "observaties" van wormgaten het volgen van objecten waarvan kan worden aangenomen dat ze een negatieve massa hebben. En als we zo'n object vinden, dan kunnen we met een vrij hoge waarschijnlijkheid zeggen dat dit een wormgat is.
Wormgaten zijn ook onderverdeeld in intra-world en inter-world. Als we de tunnel tussen de twee monden van het tweede type gaten vernietigen, zullen we twee totaal niet-verwante universums kunnen zien. Zo'n wormgat wordt interwereld genoemd. Maar als we hetzelfde doen en zien dat alles in orde is - we bleven in hetzelfde universum - dan hebben we een wormgat binnen de wereld. Deze twee soorten wormgaten hebben veel gemeen, maar er is ook een belangrijk verschil. Het feit is dat het intra-world wormgat, als het bestaat, de neiging heeft om in een tijdmachine te veranderen. In feite was het tegen de achtergrond van deze veronderstelling dat de laatste golf van belangstelling voor wormgaten ontstond.
In het geval van een wormgat in de wereld zijn er twee verschillende manieren om naar een buurman te kijken: rechtstreeks door de tunnel of op een rotonde. Als je de ene mond van een wormgat ten opzichte van de andere begint te bewegen, zal, in overeenstemming met de bekende paradox van de tweeling, de tweede persoon, die terugkeert van de reis, jonger zijn dan degene die is overgebleven. Aan de andere kant, als je door de tunnel kijkt, zit je allebei roerloos in laboratoria, vanuit jouw oogpunt gebeurt er niets, je klokken zijn gesynchroniseerd. Je hebt dus de theoretische kans om in deze tunnel te duiken en eruit te komen op een moment dat, vanuit het standpunt van een externe waarnemer, voorafgaat aan het moment waarop je duikt. De vertraging die in een passende mate wordt gebracht, zal aanleiding geven tot de mogelijkheid van een dergelijke cirkelvormige reis in de ruimte-tijd,wanneer je terugkeert naar je oorspronkelijke vertrekpunt en je vorige incarnatie de hand schudt.
De tweelingparadox is een gedachte-experiment waarmee ze proberen de inconsistentie van de speciale relativiteitstheorie te 'bewijzen'. Volgens SRT, vanuit het oogpunt van "stationaire" waarnemers, vertragen alle processen van bewegende objecten. Aan de andere kant verklaart het relativiteitsbeginsel de gelijkheid van inertiële referentiekaders. Op basis hiervan wordt redenering opgebouwd, wat leidt tot een schijnbare tegenstrijdigheid. Voor de duidelijkheid wordt het verhaal van twee tweelingbroers besproken. Een van hen (de reiziger) gaat op een ruimtevlucht, en de tweede (thuisblijvende) blijft op aarde. Meestal wordt de "paradox" als volgt geformuleerd:
Vanuit het oogpunt van een bankappel heeft de klok van een bewegende reiziger een langzaam verstrijken van de tijd, dus bij terugkomst moet hij achterblijven bij de klok van een bankappel. Aan de andere kant bewoog de aarde ten opzichte van de reiziger, dus de klok van de huisgenoot zou achter moeten blijven. In feite zijn de broers gelijk, daarom moeten hun horloges na terugkomst dezelfde tijd aangeven. Volgens de SRT blijft het horloge van de reiziger echter achter. Deze schending van de schijnbare symmetrie van de broers wordt als tegenstrijdigheid gezien.
Wat is het fundamentele verschil tussen een wormgat en een zwart gat?
- Allereerst moet ik zeggen dat er twee soorten zwarte gaten zijn - degene die zijn gevormd als gevolg van het instorten van sterren, en degene die aanvankelijk bestonden, zijn ontstaan met de opkomst van het heelal zelf. Dit zijn twee fundamenteel verschillende soorten zwarte gaten. Er was eens een concept als "wit gat", nu wordt het zelden gebruikt. Een wit gat is hetzelfde zwarte, maar evolueert terug in de tijd. Materie vliegt gewoon een zwart gat in, maar het kan daar nooit ontsnappen. Uit een wit gat daarentegen vliegt materie alleen maar naar buiten, maar je kunt er op geen enkele manier in komen. In feite is dit heel natuurlijk als we bedenken dat de algemene relativiteitstheorie symmetrisch is in de tijd, wat betekent dat als er zwarte gaten zijn, er ook witte gaten moeten bestaan. Hun totaliteit is een wormgat.
Wat is er bekend over de interne structuur van wormgaten?
- Tot dusverre worden er in die zin alleen modellen gebouwd. Aan de ene kant weten we dat het uiterlijk van deze exotische materie misschien zelfs experimenteel is ontdekt, en toch zijn er veel vragen. Het enige mij bekende model van een wormgat dat min of meer consistent is met de werkelijkheid is het model van een aanvankelijk verdampend (sinds het begin van het heelal) wormgat. Door deze verdamping blijft zo'n gat lange tijd begaanbaar.
Waar werk je precies aan?
- Ik ben puur theoretisch bezig, wat in het algemeen de causale structuur van ruimte-tijd kan worden genoemd, is de klassieke relativiteitstheorie, soms semi-klassiek (kwantum, zoals je weet, bestaat nog niet).
In de klassieke niet-relativistische theorie kan men met voldoende overtuigend bewijs komen dat tijdreizen niet kan bestaan, maar in de algemene relativiteitstheorie is er geen dergelijk bewijs. En Einstein was zich hiervan bewust toen hij net zijn theorie aan het ontwikkelen was. Hij vroeg zich af of er een manier was om deze mogelijkheid uit te sluiten. Toen kon hij deze taak niet aan, zoals hij later zelf zei. Hoewel Einstein een taal creëerde om deze kwestie te bestuderen, bleef de taak academisch. De belangstelling ervoor explodeerde in de late jaren 1940 toen Gödel een kosmologisch model voorstelde met zulke gesloten curven.
Maar aangezien Gödel altijd iets exotisch aanbood, reageerden ze daar met belangstelling op, maar zonder serieuze wetenschappelijke consequenties. En toen, rond het einde van de vorige eeuw, werd de belangstelling voor het onderwerp tijdreizen met behulp van wormgaten, voornamelijk dankzij sciencefiction - bijvoorbeeld de film "Contact" met Jodie Foster, weer nieuw leven ingeblazen. De auteur van de roman, volgens welke het script van de film is geschreven, is een zeer beroemde astronoom, popularisator van de wetenschap Carl Sagan.
Hij benaderde de zaak zeer serieus en vroeg zijn vriend, ook een zeer beroemde relativist, Kip Thorne, om te zien of alles wat in de film beschreven wordt, mogelijk was vanuit het oogpunt van de wetenschap. En hij publiceerde een semi-populair artikel in het tijdschrift voor Amerikaanse natuurkundeleraren "Wormholes als hulpmiddel voor het bestuderen van de algemene relativiteitstheorie", waarin hij de mogelijkheid van tijdreizen door wormgaten overwoog.
En ik moet zeggen dat toen in sciencefiction het idee om door zwarte gaten te reizen populair was. Maar hij begreep dat een zwart gat een absoluut ondoordringbaar object is - reizen erdoorheen is onmogelijk, dus beschouwde hij wormgaten als een kans voor tijdreizen. Hoewel dit eerder bekend was, vatten de mensen zijn conclusies om de een of andere reden op als een volledig nieuw idee en haastten zich om het te onderzoeken. Bovendien lag de nadruk op het vermoeden dat een tijdmachine niet kan bestaan, maar we besloten uit te zoeken waarom. En vrij snel werd duidelijk dat er geen duidelijke bezwaren waren tegen het bestaan van een dergelijke machine. Sindsdien zijn er grootschalige studies begonnen en beginnen theorieën te verschijnen. Over het algemeen doe ik dit sindsdien ook.
"Contact" is een sci-fi film uit 1997. Geregisseerd door Robert Zemeckis. Hoofdvertoning: Ellie Arroway (Judy Foster) wijdde haar hele leven aan de wetenschap, ze neemt deel aan een project om te zoeken naar buitenaardse intelligentie. Alle pogingen om naar buitenaardse signalen te zoeken zijn vruchteloos en de toekomst van haar project staat op het spel. Ellie is wanhopig op zoek naar steun, maar krijgt onverwacht hulp van de excentrieke miljardair Hadden. En hier is het resultaat - Ellie pikt het signaal op. Signaal-decodering laat zien dat het een beschrijving van het technische apparaat bevat. Het doel is niet duidelijk, maar binnen is een plaats voor één persoon gepland.
Na de creatie en lancering van het apparaat, begint Ellie aan een reis door het wormgatenstelsel en wordt ze vervoerd, waarschijnlijk naar een planeet in een ander sterrenstelsel. Daar wakker worden, aan de kust, ontmoet ze een vertegenwoordiger van een andere beschaving, die het beeld van haar overleden vader koos. De heldin kijkt om zich heen en realiseert zich dat dit gebied door een buitenaardse geest in haar geest is nagebouwd naar het beeld van een tekening die ze in haar kindertijd heeft getekend. De alien vertelt haar dat het apparaat je in staat stelt om een systeem van interstellaire communicatieroutes te organiseren en dat de aarde vanaf nu lid wordt van de gemeenschap van beschavingen van het universum.
Ellie keert terug naar de aarde. Vanuit het oogpunt van externe waarnemers gebeurde er na de lancering van de installatie niets met haar en verliet haar lichaam onze planeet niet. Ellie bevindt zich in een paradoxale situatie. Als wetenschapper kan ze vanuit het oogpunt van rigoureuze wetenschap op geen enkele manier haar woorden bevestigen. Nog een omstandigheid wordt ook onthuld: de videocamera die tijdens de reis aan Ellie was bevestigd, nam niets op, maar de duur van de blanco opname was niet een paar seconden, maar 18 uur …
Is het mogelijk om een wormgat te "maken"?
- Zo ongeveer is er een strikt wetenschappelijk resultaat. Dit komt door het feit dat er geen exacte resultaten zijn voor de studie van wormgaten. Er is een stelling die lang geleden is bewezen, en die zegt het volgende. Er bestaat zoiets als wereldwijde hyperboliciteit. In dit geval maakt het helemaal niet uit wat het betekent, maar het punt is dat hoewel en aangezien de ruimte globaal hyperbolisch is, het onmogelijk is om een wormgat te creëren - het kan in de natuur bestaan, maar het zal niet werken om het zelf te maken.
Als het je lukt om de wereldwijde hyperboliciteit te doorbreken, dan kun je misschien een wormgat creëren. Maar het feit is dat deze overtreding op zichzelf zo exotisch is, zo slecht bestudeerd en slecht begrepen dat de bijwerking van de geboorte van een wormgat al relatief klein is in vergelijking met het feit dat je erin slaagde de wereldwijde hyperboliciteit te schenden.
Hier vindt iets heel beroemds plaats, het "principe van strikte kosmische censuur" genaamd, dat zegt dat de ruimte altijd globaal hyperbolisch is. Maar dit is in principe niets meer dan een wens. Er is geen bewijs van de juistheid van dit principe, er is gewoon een zeker innerlijk vertrouwen dat inherent is aan veel mensen dat ruimte-tijd globaal hyperbolisch zou moeten zijn. Als dat het geval is, is het onmogelijk om een wormgat te maken - je moet op zoek gaan naar een bestaand wormgat. Ondertussen werden ernstige twijfels over de trouw van het principe van kosmische censuur geuit door de auteur zelf - Roger Penrose, maar dat is een ander verhaal.
Dat wil zeggen, het maken van een wormgat vereist een aantal serieuze energiekosten?
- Het is erg moeilijk om hier iets te zeggen. Het probleem is dat wanneer uw wereldwijde hyperboliciteit wordt geschonden, tegelijkertijd de voorspelbaarheid wordt geschonden - dit is praktisch hetzelfde. Je kunt de ruimte om je heen op de een of andere manier geometrisch veranderen, bijvoorbeeld door een tas te pakken en op een andere plek te zetten. Maar er zijn bepaalde grenzen waarbinnen u dit kunt doen, met name de limiet die wordt opgelegd door voorspelbaarheid. Soms kun je bijvoorbeeld zeggen wat er in 2 seconden gebeurt, en soms ook niet. De rand van wat je wel of niet kunt voorspellen, ligt precies in de wereldwijde hyperboliciteit. Als uw ruimte-tijd globaal hyperbolisch is, kunt u de evolutie ervan voorspellen.
Als we aannemen dat het op een gegeven moment de wereldwijde hyperboliciteit schendt, wordt alles erg slecht met voorspelbaarheid. Daarom ontstaat er bijvoorbeeld iets verbazingwekkends, zodat hier en nu een wormgat kan ontstaan waardoor een leeuw eruit zal springen. Het zal een exotisch fenomeen zijn, maar het zal geen enkele natuurkundige wet overtreden. Aan de andere kant kunt u veel moeite, geld en middelen besteden om dit proces op de een of andere manier te vergemakkelijken. Maar het resultaat zal nog steeds hetzelfde zijn - in beide gevallen weet je niet of er een wormgat zal verschijnen of niet. In de klassieke natuurkunde kunnen we er niets aan doen - als het wil, het zal, het wil het niet, het zal niet ontstaan - de kwantumwetenschap geeft ons geen enkele aanwijzing in deze kwestie.
Het principe van "kosmische censuur" werd in 1969 door Roger Penrose geformuleerd in de volgende figuurlijke vorm: "De natuur verafschuwt een naakte singulariteit." Het zegt dat ruimtetijd-singulariteiten verschijnen op plaatsen die, net als de binnenste regionen van zwarte gaten, verborgen zijn voor waarnemers. Dit principe is nog niet bewezen, en er zijn redenen om aan de absolute juistheid ervan te twijfelen (de ineenstorting van een stofwolk met een groot impulsmoment leidt bijvoorbeeld tot een "naakte singulariteit", maar het is niet bekend of deze oplossing van Einsteins vergelijkingen stabiel is met betrekking tot kleine verstoringen van de initiële gegevens).
De formulering van Penrose (een sterke vorm van kosmische censuur) suggereert dat de ruimtetijd als geheel globaal hyperbolisch is.
Later stelde Stephen Hawking een andere formulering voor (een zwakke vorm van kosmische censuur), waarbij alleen de globale hyperboliciteit van de "toekomstige" component van ruimte-tijd wordt aangenomen.
Olga Fadeeva
