Bi li astronauti preživjeli međuvjekovno putovanje kroz crvotočinu?

U svemirskoj operi Interstellar astronauti koji pokušavaju spasiti čovječanstvo pronašli su spasilački put: crvotočina koja se misteriozno pojavila pored Saturna. Tunel kroz svemirsko vrijeme vodi u daleku galaksiju i priliku da se nađu planeti koji bi ljudi mogli kolonizirati. Crvotočina filma temelji se na stvarnoj fizici umirovljenog profesora iz CalTecha Kip Thornea, pionira astrofizike koji je također pomogao Carlu Saganu da dizajnira svoju crvotočinu za roman " Kontakt" . Vizualizacije su zapanjujuće i nose se kao neke od najtačnijih simulacija crvotočina i crnih rupa u filmu. Ali postoji jedan aspekt uranjanja u međuzvjezdani izraz koji film ne govori: Kako preživjeti putovanje?

Povezani sadržaj

• Stephen Hawking misli da možemo riješiti veliku misteriju crne rupe s kosom
• Fizičari su izgradili crvotočnu rupu za magnete
• Zašto "Interstellar" spada u panteon najboljih "realističnih" filmova znanstvene fantastike
• Najbliža stvar u stvarnom životu Mystovoj knjizi crvotočina

Iako ga nisu nazivali takvim, izvorna crvotočina bila je dječja Alberta Einsteina i njegovog pomoćnika Nathana Rosena. Pokušali su riješiti Einsteinove jednadžbe za opću relativnost na način koji bi u konačnici doveo do čisto matematičkog modela cijelog svemira, uključujući gravitaciju i čestice koje čine materiju. Njihov pokušaj bio je opisati prostor kao dva geometrijska lista povezana "mostovima", što mi doživljavamo kao čestice.

Drugi fizičar, Ludwig Flamm, neovisno je otkrio takve mostove 1916. godine u svom rješenju Einsteinovih jednadžbi. Nažalost za sve njih, ova "teorija svega" nije uspjela, jer se teorijski mostovi na kraju nisu ponašali poput pravih čestica. No, rad Einsteina i Rosena iz 1935. godine popularizirao je koncept tunela kroz tkaninu svemira i natjerao ostale fizičare da ozbiljno razmišljaju o posljedicama.

Princetonski fizičar John Wheeler skovao je pojam "crvotočina" 1960-ih godina kada je istraživao modele mostova Einstein-Rosen. Primijetio je da su mostovi slični rupama kroz koje crvi prolaze kroz jabuke. Mrav koji puza s jedne na drugu stranu jabuke može se obaviti po cijeloj njezinoj zakrivljenoj površini ili uzeti prečicu kroz crvast tunel. Sada zamislite da je naš trodimenzionalni svemirski vremenski period koža jabuke koja se savija oko veće dimenzije koja se naziva "velika količina". Einstein-Rosen most je tunel kroz skupinu koji putnicima omogućuje brzu traku između dviju točaka u prostoru. Zvuči čudno, ali zakonito je matematičko rješenje za opću relativnost.

Wheeler je shvatio da ušća mostova Einstein-Rosen lako odgovaraju opisima onoga što je poznato kao Schwarzschild crna rupa, jednostavne sfere materije toliko guste da ni svjetlost ne može pobjeći od njezinog gravitacijskog poteza. Aha! Astronomi vjeruju da crne rupe postoje i nastaju kada se jezgre izuzetno masivnih zvijezda urušavaju u sebe. Dakle, mogu li crne rupe biti i crvotočne rupe i na taj način ulaz u međuzvjezdana putovanja? Matematički gledano, možda - ali nitko ne bi preživio putovanje.

U Schwarzschildovom modelu, tamno srce crne rupe je singularnost, neutralna, nepomična sfera s beskonačnom gustoćom. Wheeler je izračunao što će se dogoditi ako se crvotočina stvori kada se dvije jedinke u dalekim dijelovima svemira spoje u velikoj masi, stvarajući tunel između Schwarzschill-ovih crnih rupa. Otkrio je da je takva crvotočna rupa sama po sebi nestabilna: tunel se formira, ali onda se skuplja i odvaja, ostavljajući vam još jednom samo dvije jedinstvenosti. Taj se proces rasta i kontrakcije događa tako brzo da ni svjetlost ne prolazi kroz tunel, a astronaut koji pokušava proći kroz njega naišao bi na jedinstvenu osobinu. To je iznenadna smrt, jer bi ogromne gravitacijske sile razdvojile putnika.

"Sve ili svakoga tko pokuša putovati uništit će se u kratkom roku!" Thorne piše u svojoj propratnoj knjizi do filma " The Science of Interstellar" .

Znanost o međuvjesnosti

Amazon.com: Znanost o međuzemlju (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Knjige

Postoji alternativa: okretna Kerr crna rupa, što je još jedna mogućnost u općoj relativnosti. Pojedinačnost unutar Kerrove crne rupe je prsten za razliku od sfere, a neki modeli sugeriraju da bi osoba mogla preživjeti putovanje ako bi uredno prošla kroz sredinu ovog prstena poput košarke kroz obruč. Thorne, međutim, ima niz prigovora na ovaj pojam. U radu o putovanju crvotočinom iz 1987. godine, on napominje da grlo crvotočine Kerr sadrži regiju koja se zove Cauchy horizont, a koja je vrlo nestabilna. Matematika kaže da čim bilo što, pa i svjetlo, pokuša proći ovaj horizont, tunel se kolabira. Čak i ako bi se crvotočina nekako mogla stabilizirati, kvantna teorija govori nam da se iznutra treba preplaviti česticama visoke energije. Stopite u Kerr crvotočina, i pržit ćete se do hrskavica.

Trik je u tome što se fizika još nije trebala uskladiti s klasičnim gravitacijskim pravilima s kvantnim svijetom, neuhvatljivim dijelom matematike koji mnogi istraživači pokušavaju utvrditi. U jednom zaokretu na slici Juan Maldacena iz Princetona i Leonard Susskind na Stanfordu predložili su da crvotočine mogu biti poput fizičkih manifestacija zapletenosti, kada su kvantni predmeti povezani bez obzira koliko su udaljeni od njih.

Einstein je slavno opisao zaplete kao "sablasno djelovanje na daljinu" i odupro se toj ideji. Ali mnoštvo eksperimenata govori nam da je zapletenost stvarna - već se komercijalno koristi za zaštitu internetskih komunikacija, poput bankovnih transakcija. Prema Maldaceni i Susskindu, velike količine zamke mijenjaju geometriju prostornog vremena i mogu stvoriti crvotočine u obliku zapletenih crnih rupa. Ali njihova verzija nije međuzvjezdani ulaz.

"To su crvotočine koje vam ne dopuštaju da putujete brže od svjetlosti", kaže Maldacena. "Međutim, mogu vam dopustiti da sretnete nekoga iznutra, s malim upozorenjem da bi obojica tada umrli u gravitacijskoj singularnosti."

U redu, crne rupe su problem. Što onda može biti crvotočina? Avi Loeb iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku kaže da su naše mogućnosti širom otvorene: "Budući da još uvijek nemamo teoriju koja pouzdano objedinjuje opću relativnost s kvantnom mehanikom, ne znamo cijeli zoološki vrt mogućih prostorno-vremenskih struktura koje bi mogle smjestiti. crvotočine.”

Još ima problema. Thorne je u svom djelu iz 1987. godine otkrio da će se bilo koja vrsta crvotočine koja je u skladu s općom relativnošću raspasti, osim ako je ne otvori ono što naziva "egzotičnom materijom" s negativnom energijom. On tvrdi da imamo dokaze o egzotičnoj materiji zahvaljujući eksperimentima koji pokazuju kako kvantne fluktuacije u vakuumu izgledaju kao da stvaraju negativan pritisak između dva zrcala smještena vrlo blizu jednoga. I Loeb misli da su naša opažanja tamne energije daljnji nagovještaji da egzotična materija može postojati.

"Primjećujemo da su tijekom nedavne kozmičke povijesti galaksije bježile od nas brzinom koja se vremenom povećava, kao da ih djeluje odbojna gravitacija", kaže Loeb. "Ovo ubrzano širenje svemira može se objasniti ako je svemir ispunjen supstancom koja ima negativan pritisak ... baš kao i materijal potreban za stvaranje crvotočine." No, oba se fizičara slažu da će vam trebati previše egzotične materije da bi se crvotočina ikad prirodno oblikovala, a samo se visoko napredna civilizacija mogla nadati da će sakupiti dovoljno stvari za stabilizaciju crvotočne rupe.

Ali drugi fizičari nisu uvjereni. "Mislim da bi stabilna, prohodna crvotočina bila vrlo zbunjujuća i čini se nedosljednom sa zakonima fizike koje poznajemo", kaže Maldacena. Sabine Hossenfelder sa nordijskog Instituta za teorijsku fiziku u Švedskoj još je skeptičnija: "Mi imamo apsolutno nultu indikaciju da to postoji. Zaista postoji široko mišljenje da ne može postojati, jer ako bi vakuum bio nestabilan." Čak i ako je egzotična materija bila dostupna, putovanje kroz nju možda i nije lijepo. Točni učinci ovisili bi o zakrivljenosti prostornog vremena oko crvotočine i gustoći energije unutar, kaže ona. "Prilično je to s crnim rupama: previše plimnih sila i rascjep ćeš se."

Unatoč vezama s filmom, Thorne je takođe pesimističan kako je moguća čak i prolazna crvotočina, a mnogo manje održiva. "Ako mogu postojati, vrlo sumnjam u to da se mogu prirodno oblikovati u astrofizičkom svemiru", piše u knjizi. Ali Thorne cijeni da su Christopher i Jonah Nolan, koji su napisali Interstellar, bili toliko voljni ispričati priču koja je utemeljena na znanosti.

"Priča je u osnovi sve Chris i Jonah", rekao je Thorne Wiredu u ekskluzivnom intervjuu. "Ali duh toga, cilj imati film u kojem se znanost od početka nalazi u tkanini - i to je velika znanost - koja je sačuvana."