Kako se zamahniti s seboj, ki je priletel iz prihodnosti? Zakaj se lahko lev nenadoma uredi v vaši sobi? Kako priti v drugo vesolje, obiskati časovni stroj in kaj je "bela luknja"? O tem je spregovoril Sergej Krasnikov, višji raziskovalec laboratorija za fiziko zvezd v glavnem (Pulkovo) observatoriju.
Sergej Vladilenovič, kaj je pelin?
- Ni zelo stroge definicije. Takšne opredelitve so potrebne, če dokažete nekatere teoreme, vendar strogih izrek skorajda ni, zato so omejene predvsem na figurativne pojme, slike. Predstavljajte si, da smo v eni sobi iz svojega tridimenzionalnega prostora izvlekli kroglico in v drugi sobi izvlekli točno isto kroglico ter nalepili nastale meje teh lukenj.
Tako, ko bomo v eni sobi stopili znotraj te nekdanje kroglice, ki je postala luknja, bomo izstopili v drugi sobi - iz luknje, ki se je oblikovala namesto druge kroglice. Če naš prostor ne bi bil tridimenzionalen, ampak dvodimenzionalen, bi bil videti kot list papirja, na katerega je prilepljeno pisalo. Tridimenzionalni analog in njegov razvoj skozi čas se imenuje črvičja.
Kako se preučujejo črvičke?
- To je čisto teoretska dejavnost. Nihče še ni videl črvičk in na splošno ni nobene gotovosti, da sploh obstajajo. Začeli so preučevati črvičke, izhajajoč iz vprašanja: ali obstajajo v naravi takšni mehanizmi, ki bi nam zagotovili, da takšne luknje v naravi ne morejo obstajati? Teh mehanizmov ni bilo mogoče najti, zato lahko domnevamo, da so črvičke resnične pojave.
Ali je načeloma mogoče videti črvotočko?
Promocijski video:
- Seveda. Če se v zaklenjeni sobi nenadoma plazi od nikoder človek, potem opazujete črvotoko. Wormholes kot predmet preučevanja je izumil in promoviral ameriški teoretični fizik John Wheeler, ki je z njihovo pomočjo želel razložiti, nič več, nič manj - električne naboje. Naj pojasnimo. Opis prostega električnega polja s stališča teoretične fizike ni zelo težka naloga.
Vendar je zelo težko opisati električni naboj z istega vidika. Električni naboj se v tem smislu kaže kot zelo skrivnostna stvar: neka snov, ločena od polja, je neznanega izvora, in ni jasno, kako ravnati v klasični fiziki. Wheelerjeva ideja je bila sledeča. Recimo, da imamo mikroskopsko črvovod, ki je prepredena s silovitimi črtami - z enega konca te črte vstopijo vanjo, z drugega pa izstopijo.
Zunanji opazovalec, ki ne ve, da sta ta dva konca povezana s silovitimi črtami, ga bo takšen objekt dojemal kot preprosto sfero v vesolju, pregledal bo polje okoli njega in bo videti kot polje točkovnega naboja. Le opazovalec bo mislil, da gre za nekakšno skrivnostno snov, ki ima naboj itd., In vse, ker ne ve, da gre v resnici za črvičico.
Seveda je to zelo elegantna ideja in mnogi so jo poskušali razviti, a niso prav dosti napredovali, saj so nenazadnje elektroni kvantni predmeti in seveda nihče ne ve, kako bi opisal črvičke na kvantni ravni. Če pa domnevamo, da je hipoteza pravilna, potem so črvičke več kot vsakdanji pojav, bo vse, kar je povezano z elektriko, na koncu vezano nanje.
Eksotična snov je klasični koncept fizike, ki opisuje katero koli (običajno hipotetično) snov, ki krši enega ali več klasičnih pogojev ali ne vsebuje znanih barionov. Takšne snovi imajo lahko lastnosti negativne gostote energije ali se odbijajo, ne pa jih privlačijo zaradi gravitacije. V nekaterih teorijah se uporablja eksotična snov, kot je teorija o zgradbi črvičja. Najbolj znan predstavnik eksotičnih snovi je vakuum v regiji z negativnim pritiskom, ki ga povzroča Casimirjev učinek.
Kakšne črvičke so tam?
- Z vidika teoretičnega potovanja obstajajo prehodne in neprehodne črvičke. Neprepustne so tiste, skozi katere se uniči prehod, in to se zgodi tako hitro, da noben predmet preprosto nima časa, da bi šel z enega konca na drugega. Seveda je najbolj zanimiva za študij druga vrsta črvičk - prehodnih. Obstaja celo lepa teorija, ki pravi, da smo to, kar smo včasih mislili kot supermasivne črne luknje v središčih galaksij, v resnici ustje črvičic. Ta teorija je skorajda nerazvita in seveda še ni našla nobene potrditve, temveč obstaja kot nekakšna ideja. Njegovo bistvo je, da zunaj črviške luknje vidite le, da je v središču galaksije določen sferično simetričen objekt, a kaj je to - črvotočina ali črna luknja - ne morete reči.ker ste zunaj tega predmeta.
Pravzaprav jih je mogoče razlikovati le po enem parametru - masi. Če se masa izkaže za negativno, je to najverjetneje črvotočna luknja, če pa je masa pozitivna, potem so potrebne dodatne informacije, ker se lahko črna luknja izkaže za črvotočno luknjo. Negativna masa na splošno je eden izmed osrednjih trenutkov celotne zgodbe o črvički. Ker je treba črvičnico napolniti s tako imenovano eksotično snovjo - snovjo, v kateri je energijska gostota vsaj ponekod na nekaterih mestih negativna.
Na klasični ravni še nihče ni videl take snovi, vendar zagotovo vemo, da načeloma lahko obstaja. Zabeleženi so kvantni učinki, ki vodijo do pojava take snovi. To je dokaj dobro znan pojav in se imenuje učinek Casimir. Uradno je bil registriran. In povezano je ravno z obstojem negativne energijske gostote, ki je zelo navdihujoča.
Casimirjev učinek je učinek, ki sestoji iz medsebojne privlačnosti dirigiranja nepolnjenih teles pod vplivom kvantnih nihanj v vakuumu. Najpogosteje govorimo o dveh vzporednih nezapolnjenih zrcalnih površinah, ki se nahajajo na tesni razdalji, vendar Casimirjev učinek obstaja tudi za bolj zapletene geometrije. Razlog za učinek so nihanja energije fizičnega vakuuma zaradi nenehnega ustvarjanja in izginjanja virtualnih delcev v njem. Učinek je napovedal nizozemski fizik Hendrik Casimir leta 1948 in kasneje eksperimentalno potrdil.
Na splošno je v kvantni znanosti negativna gostota energije dokaj pogosta stvar, s katero je na primer povezano Hawkingovo izhlapevanje. Če obstaja takšna gostota, si lahko postavimo naslednje vprašanje: kako velika je masa črne luknje (parameter gravitacijskega polja, ki ga ustvari)? Obstaja rešitev tega problema, ki je uporabna za črne luknje - torej za predmete s pozitivno maso in obstaja rešitev, ki je uporabna za negativno maso.
Če je v črvičnici dovolj eksotične snovi, bo zunaj mase tega predmeta negativno. Zato je ena glavnih vrst "opazovanja" črvovodov sledenje predmetom, za katere je mogoče domnevati, da imajo negativno maso. In če najdemo takšen predmet, potem lahko s precej visoko stopnjo verjetnosti rečemo, da gre za črvičico.
Wormholes so razdeljeni tudi na svetovno in med svetovno. Če bomo uničili tunel med dvema ustjema druge vrste lukenj, bomo lahko videli dva popolnoma nepovezana vesolja. Takšna črvičnica se imenuje medkraje. Ampak, če storimo enako in vidimo, da je vse v redu - ostali smo v istem Vesolju -, imamo v vsem svetu črvotočko. Ti dve vrsti črvičk imata veliko skupnega, vendar obstaja tudi pomembna razlika. Dejstvo je, da se črviček znotraj sveta, če obstaja, ponavadi spremeni v časovni stroj. Pravzaprav je prav na podlagi te domneve prišlo do zadnjega porasta zanimanja za črvičke.
Pri črvi v notranjosti sveta obstajata dva različna načina za gledanje na soseda: neposredno skozi tunel ali v krožni poti. Če začnete premikati eno ustje črvičja v primerjavi z drugim, potem bo druga oseba, ki se bo vrnila s potovanja, v skladu z dobro znanim paradoksom dvojčkov mlajša od tiste, ki je ostala. Po drugi strani pa, ko gledate skozi predor, oba sedite v laboratorijih negibno, z vašega vidika se nič ne zgodi, vaše ure so sinhronizirane. Tako imate teoretično priložnost, da se potopite v ta predor in se izstopite v trenutku, ki z vidika zunanjega opazovalca pred trenutkom potapljanja. Ustrezno zakasnitev bo povzročila možnost takšnega krožnega potovanja v prostoru-času -ko se vrnete na prvotno odhodno točko in stresete z roko prejšnje inkarnacije.
Paradoks dvojčka je miselni eksperiment, s katerim poskušajo "dokazati" nedoslednost posebne teorije relativnosti. Po mnenju SRT se z vidika "stacionarnih" opazovalcev vsi procesi premikanja predmetov upočasnjujejo. Po drugi strani pa načelo relativnosti določa enakost inercialnih referenčnih okvirov. Na podlagi tega se gradi sklepanje, kar vodi v navidezno protislovje. Za jasnost velja zgodba o dveh bratih dvojčkih. Eden od njih (popotnik) gre v vesoljski polet, drugi (bivanje doma) pa ostane na Zemlji. Najpogosteje se "paradoks" oblikuje na naslednji način:
Z vidika kavčnega krompirja ima ura premikajočega se popotnika počasen čas, zato mora pri vračanju zaostajati za uro kavč krompirja. Po drugi strani se je Zemlja gibala glede na popotnika, zato bi morala ura zaostajati. Pravzaprav sta brata enakovredna, zato naj bi po vrnitvi njihove ure pokazale isti čas. Toda po navedbah SRT bo popotniška ura zaostajala. Ta kršitev navidezne simetrije bratov je videti kot protislovje.
Kaj je bistvena razlika med črvovodjo in črno luknjo?
- Najprej moram reči, da obstajata dve vrsti črnih lukenj - tiste, ki so nastale kot posledica propada zvezd, in tiste, ki so obstajale na začetku, nastale s pojavom samega Vesolja. To sta dve bistveno različni vrsti črnih lukenj. Nekoč je obstajal tak koncept kot "bela luknja", zdaj se redko uporablja. Bela luknja je enaka črni, vendar se s časom razvija nazaj. Materija samo leti v črno luknjo, od nje pa nikoli ne more ubežati. Nasprotno, iz bele luknje zadeva le odleti, vendar je nikakor ne morete vnesti vanjo. V resnici je to povsem naravna stvar, če se spomnimo, da je Splošna teorija relativnosti časovno simetrična, kar pomeni, da če obstajajo črne luknje, morajo obstajati tudi bele luknje. Njihova celovitost je črvična luknja.
Kaj je znano o notranji zgradbi črvičk?
- Zaenkrat v tem smislu gradijo samo modele. Po eni strani vemo, da smo videz te eksotične snovi morda odkrili celo eksperimentalno, in še vedno je veliko vprašanj. Edini znani model črvotočne luknje, ki je bolj ali manj skladen z resničnostjo, je model prvotno izhlapevajoče (od začetka vesolja) črvotočne odprtine. Zaradi tega izhlapevanja ostane takšna luknja dolgo časa prehodna.
Kaj točno delaš?
- Ukvarjam se s čisto teoretično dejavnostjo, kar lahko na splošno imenujemo vzročna struktura prostora-časa, je klasična teorija relativnosti, včasih polklasična (kot veste, kvant še ne obstaja).
V klasični nerelativistični teoriji je mogoče najti dovolj prepričljive dokaze, da potovanje po času ne more obstajati, vendar na splošno relativnost ni takšnih dokazov. In Einstein se je, ko je ravno razvijal svojo teorijo, tega zavedal. Spraševal se je, ali obstaja kakšen način za izključitev te možnosti. Potem se s to nalogo ni spopadel, kot je kasneje povedal sam. Čeprav je Einstein ustvaril jezik za preučevanje tega vprašanja, je naloga ostala akademska. Zanimanje zanj je eksplodiralo v poznih 40. letih 20. stoletja, ko je Gödel predlagal kozmološki model, ki vsebuje tako zaprte krivulje.
Ker pa je Gödel vedno ponujal nekaj eksotičnega, so na to odreagirali z zanimanjem, vendar brez resnih znanstvenih posledic. In potem, konec prejšnjega stoletja, zahvaljujoč predvsem znanstveni fantastiki - na primer filmu "Stik" z Jodie Foster, je zanimanje za temo potovanja v času s pomočjo črvičkov znova oživelo. Avtor romana, po katerem je bil napisan scenarij filma, je zelo znan astronom, popularizator znanosti Carl Sagan.
K zadevi je pristopil zelo resno in prosil svojega prijatelja, prav tako zelo znanega relativista Kip-a Thorna, naj preveri, ali je vse, kar je opisano v filmu, z vidika znanosti mogoče. In objavil pol-priljubljen članek v reviji za ameriške učitelje fizike "Wormholes kot orodje za preučevanje splošne teorije relativnosti", kjer je razmišljal o možnosti potovanja skozi čas skozi črviče.
In moram reči, da je bila takrat v znanstveni fantastiki priljubljena ideja potovanja skozi črne luknje. A razumel je, da je črna luknja popolnoma neprehoden predmet - potovanje skozi njih je nemogoče, zato je črvične luknje ocenil kot priložnost za potovanje v času. Čeprav se je to poznalo že prej, vendar so ljudje iz nekega razloga njegove sklepe jemali kot povsem svežo idejo in hiteli, da bi jo raziskali. Poleg tega je bil poudarek na domnevi, da časovni stroj ne more obstajati, vendar smo se odločili, da ugotovimo, zakaj. In precej hitro je postalo jasno, da očitnih ugovorov obstoju takega stroja ni. Od takrat so se začele obsežnejše študije in začele so se pojavljati teorije. Na splošno od takrat to počnem tudi jaz.
"Kontakt" je znanstveni fantastični film iz leta 1997. Režiral Robert Zemeckis. Glavni zaplet: Ellie Arroway (Judy Foster) se je vse življenje posvetila znanosti, postala je udeleženka v iskanju nezemeljske inteligence. Vsi poskusi iskanja nezemeljskih signalov so brezplodni, prihodnost njenega projekta pa je na kocki. Ellie obupa, da bi našla podporo, a nepričakovano dobi pomoč ekscentričnega milijarderja Haddena. In tu je rezultat - Ellie sprejme signal. Dekodiranje signala kaže, da vsebuje opis tehnične naprave. Njegov namen ni jasen, v notranjosti pa je predviden prostor za eno osebo.
Po izdelavi in zagonu naprave se Ellie poda na pot skozi črvovodni sistem in se prevaža, verjetno na planet v drugem zvezdnem sistemu. Zbudi se tam na morski obali in sreča predstavnika druge civilizacije, ki je izbrala podobo svojega pokojnega očeta. Če se ozre naokoli, junakinja spozna, da je to področje ustvaril tujcu v mislih na podobi risbe, ki jo je narisal v otroštvu. Tujec ji pove, da naprava omogoča organiziranje sistema medzvezdnih komunikacijskih poti in Zemlja od zdaj postane članica skupnosti civilizacij vesolja.
Ellie se vrne na Zemljo. Z vidika zunanjih opazovalcev se ji po zagonu naprave ni zgodilo nič in njeno telo ni zapustilo našega planeta. Ellie se znajde v paradoksalni situaciji. Kot znanstvenik s stališča stroge znanosti nikakor ne more potrditi svojih besed. Razkrita je še ena okoliščina: video kamera, ki je bila med potovanjem pritrjena na Ellie, ni posnela ničesar, vendar prazno snemanje ni bilo nekaj sekund, ampak 18 ur …
Ali je mogoče narediti črvičico?
- Pri tem je strog znanstveni rezultat. To je posledica dejstva, da natančnih rezultatov na preučevanju črvičkov ni. Obstaja teorem, ki je bil dokazan že dolgo nazaj, in pravi naslednje. Obstaja takšna stvar kot globalna hiperboličnost. V tem primeru sploh ni pomembno, kaj to pomeni, ampak poanta je v tem, da čeprav je vesolje globalno hiperbolično, ni mogoče ustvariti črvičke - v naravi lahko obstaja, sam pa je ne morete narediti.
Če vam uspe razbiti globalno hiperboličnost, potem morda ustvarite črvičico. A dejstvo je, da je ta kršitev sama po sebi tako eksotična stvar, tako slabo raziskana in slabo razumljena, da je stranski učinek rojstva črvičnice že razmeroma majhna stvar v primerjavi z dejstvom, da ste uspeli kršiti globalno hiperboličnost.
Tu se dogaja zelo znana stvar, imenovana "načelo stroge kozmične cenzure", ki pravi, da je vesolje vedno globalno hiperbolično. Toda to načeloma ni nič drugega kot želja. Ni dokazov o pravilnosti tega načela, marsikdo ima samo določeno notranjo zaupanje, da bi moral biti prostor-čas globalno hiperboličen. V tem primeru je nemogoče ustvariti črvičico - iskati morate obstoječo. Medtem je hude dvome o zvestobi načelu kozmične cenzure izrazil sam avtor - Roger Penrose, a to je že druga zgodba.
Se pravi, da ustvarjanje črvičke zahteva nekaj resnih stroškov energije?
- Tu je zelo težko nekaj reči. Težava je v tem, da se ob kršitvi vaše globalne hiperboličnosti hkrati krši predvidljivost - to je praktično ista stvar. Prostor okrog sebe lahko nekako geometrično spremenite, na primer vzamete torbo in jo odložite na drugo mesto. Vendar obstajajo določene meje, znotraj katerih lahko to storite, zlasti meja, ki jo nalaga predvidljivost. Na primer, včasih lahko rečeš, kaj se bo zgodilo v 2 sekundah, včasih pa ne. Roba tega, kar lahko ali ne morete napovedati, leži ravno v globalni hiperboličnosti. Če je vaš prostor-čas globalno hiperboličen, lahko napovedujete njegov razvoj.
Če predpostavimo, da v nekem trenutku krši globalno hiperboličnost, postane vse skupaj s predvidljivostjo zelo slabo. Zato nastane neverjetna stvar, na primer taka, da se tukaj in zdaj lahko uresniči črviček, skozi katerega bo lev skočil ven. To bo eksotičen pojav, vendar ne bo kršil nobenih zakonov fizike. Po drugi strani pa lahko porabite veliko truda, denarja in sredstev, da nekako olajšate ta postopek. Vendar bo rezultat še vedno enak - v obeh primerih ne veste, ali se bo pojavil črviček ali ne. V klasični fiziki ne moremo ničesar storiti - če hoče, bo, ne želi, ne bo nastalo - kvantna znanost nam še ne daje namigov v tej zadevi.
Načelo "kozmične cenzure" je leta 1969 Roger Penrose formuliral v naslednji figurativni obliki: "Narava se spušča v golo singularnost." Pravi, da se prostorske časovne posebnosti pojavljajo na mestih, ki so tako kot notranja področja črnih lukenj skrita pred opazovalci. To načelo še ni dokazano in obstajajo razlogi, da bi dvomili o njegovi absolutni pravilnosti (na primer propad oblaka prahu z velikim kotnim zagonom vodi v "golo singularnost", ni pa znano, ali je ta rešitev Einsteinovih enačb stabilna glede na majhna vznemirjanja začetnih podatkov).
Penrosova formulacija (močna oblika kozmične cenzure) kaže na to, da je vesoljski čas kot celota globalno hiperboličen.
Pozneje je Stephen Hawking predlagal drugačno formulacijo (šibka oblika kozmične cenzure), kjer se domneva le globalna hiperboličnost "prihodnje" komponente prostora-časa.
Olga Fadejeva