Wormhole: historia, teori, typer, träning, resa i tid

Ett maskhål i astrofysik och kosmologi är en passage som förbinder två punkter i tyget av rymdtid. Precis som det fallande äpplet inspirerade teorin om gravitationen av Isaac Newton år 1687, har maskarna som perforerar äpplen inspirerat nya teorier, även inom ramen för gravitationen.

Precis som masken lyckas nå en annan punkt på blockets yta genom en tunnel är rymdtidsmaskhål teoretiska genvägar som tillåter resor till avlägsna platser i universum på kortare tid.

Det är en idé som har fångat och fortsätter att fånga många människors fantasi. Samtidigt är kosmologer upptagna med att leta efter sätt att bevisa deras existens. Men för tillfället är de fortfarande föremål för spekulation.

För att få lite närmare förståelsen av maskhål, måste möjligheten att resa i tid genom dem och de skillnader som finns mellan maskhål och svarta hål, vi måste placera oss i begreppet rymdtid.

Vad är spacetime?

Begreppet rymdtid är nära kopplat till ormhålets. Det är därför som det är nödvändigt att först fastställa vad det är och vad dess huvudkaraktär är.

Spacetime är där varje händelse i universum inträffar. Och universum är i sin tur rymdtidens totalitet, som kan rymma alla former av materia-energi och mer ...

När pojkvännen träffar flickvännen är det en händelse, men den här händelsen har några rumsliga koordinater: mötesplatsen. Och en tidskoordinat: år, månad, dag och timme för mötet.

En stjärnas födelse eller explosionen av en supernova är också händelser som äger rum i rymdtid.

Nu, i en region i universum utan mass och interaktioner är rymdtiden platt. Det betyder att två ljusstrålar som börjar parallellt fortsätter så här, så länge de kvarstår i den regionen. Förresten, för en ljusstråle är tiden evig.

Naturligtvis är rymdtid inte alltid platt. Universum innehåller objekt som har massa som ändrar rymdtid, med ursprung i en rumtids krökning på universell skala.

Det var Albert Einstein själv som insåg, i ett ögonblick av inspiration att han kallade "den lyckligaste idén i mitt liv", att en accelererad observatör är lokal skillnad från någon som är nära ett massivt objekt. Det är den kända ekvivalensprincipen.

Och en accelererad observatörskurvor spacetime, det vill säga, euklidisk geometri är inte längre giltig. Därför är rumstiden i krom i omgivningen av ett massivt objekt som en stjärna, en planet, en galax, ett svart hål eller universum själv.

Denna krökning uppfattas av människor som en kraft som kallas tyngdkraft, dagligen men mystisk på samma gång.

Gravity är lika gåtfull som den kraft som driver oss framåt när bussen vi reser plötsligt stannar. Det är som om plötsligt något osynligt, mörkt och massivt stod ett ögonblick framför oss och lockade oss och skjutde oss plötsligt framåt.

Planeterna rör sig i elliptisk form runt solen eftersom massan av den här skapar en depression i rymdtidens yta som gör att planeterna kurver sina banor. En ljusstråle böjer också sin bana efter den tidsfördröjning som Sun producerar.

Tunnlar genom rymdtid

Om rumstiden är en krökt yta, hindrar ingenting i princip inget område från att ansluta till en annan via en tunnel. Att resa genom en tunnel som denna skulle innebära att inte bara byta platser, men också erbjuda möjligheten att gå till en annan tid.

Denna idé har inspirerat många böcker, serier och filmer av science fiction, bland annat den berömda amerikanska serien på 60-talet "Tidens tunnel" och mer nyligen "Deep Space 9" i Star Trek-franchisen och 2014 Interstellar-filmen.

Tanken kom från samma Einstein, som letar efter lösningar på fältekvationerna Allmän Relativitet, hittade med Nathan Rosen en teoretisk lösning som fick ansluta två olika områden av rymdtid genom en tunnel som fungerade som en genväg.

Den lösningen är känd som Einstein-Rosenbroen och visas i ett arbete som publicerades 1935.

Emellertid användes termen "wormhole" för första gången 1957, tack vare teoretiska fysiker John Wheeler och Charles Misner i en publikation det året. Tidigare hade det pratats om "endimensionella rör" för att hänvisa till samma idé.

Senare 1980 skrev Carl Sagan sciencefiction-novellen "Contact", en bok där en film senare gjordes. Huvudpersonen som heter Elly upptäcker intelligent utomjordiskt liv 25 tusen ljusår bort. Carl Sagan ville att Elly skulle resa dit, men på ett sätt som var vetenskapligt trovärdigt.

Att resa 25 tusen ljusår bort är inte en lätt uppgift för en människa, såvida inte en genväg sökes. Ett svart hål kan inte vara en lösning, eftersom när den närmar sig singulariteten skulle differentialgraviteten riva skeppet och dess besättning.

På jakt efter andra möjligheter konsulterade Carl Sagan en av tidens främsta svarta hålexperter: Kip Thorne, som började tänka på frågan och insåg att Einstein-Rosen broar eller maskhål Wheeler var lösningen.

Men Thorne noterade också att den matematiska lösningen var instabil, det vill säga tunneln öppnar, men på kort tid stränger och försvinner det.

Ormhålens instabilitet

Är det möjligt att använda maskhål för att resa stora avstånd i rymden och tiden?

Sedan de har utformats har maskhål serverat i många science fiction tomter för att ta sina huvudpersoner till avlägsna platser och uppleva paradoxerna av olinjär tid.

Kip Thorne hittade två möjliga lösningar på problemet med instabilitet av maskhål:

• Genom det så kallade kvantskummet . På Planck-skalan (10-35 m) finns kvantfluktuationer som kan ansluta två regioner av rymdtid genom mikrotunnlar. En mycket avancerad hypotetisk civilisation kan hitta ett sätt att bredda passagerna och hålla dem tillräckligt lång för att en människa ska passera.
• Negativ massfråga. Enligt de beräkningar som Thorne själv publicerade 1990, skulle det ta enorma mängder av denna märkliga sak att hålla ändarna av maskhålet öppna.

Den anmärkningsvärda saken om den sistnämnda lösningen är att till skillnad från svarta hål finns det ingen singularitet eller kvantfenomen, och människans passage genom denna typ av tunnel skulle vara genomförbar.

På detta sätt skulle maskhål inte bara tillåta att förbinda avlägsna regioner i rymden utan också separeras i tid. Därför är de maskiner att resa i tid.

Stephen Hawking, den stora referensen av kosmologin i slutet av 1900-talet, trodde inte genomförbar eller maskhål eller tidsmaskiner på grund av de många paradoxerna och motsägelser som härrör från dem.

Det har inte minskat andras av andra forskare, som har föreslagit möjligheten att två svarta hål i olika områden av rymdtid kopplas internt med ett maskhål.

Även om detta inte skulle vara praktiskt för rymdtidsturerna, skulle det inte vara möjligt att lämna i andra änden, eftersom det är ett annat svart hål, förutom de trossamlingar som skulle ge in för det svarta hålets singularitet.

Skillnader mellan svarta hål och maskhål

När du pratar om ett maskhål, tänker du omedelbart om svarta hål.

Ett svart hål bildas naturligt efter utvecklingen av en stjärna som har en viss kritisk massa.

Det uppstår efter att stjärnan har uttömt sitt kärnbränsle och börjar kontrahera på grund av sin egen gravitationskraft. Det fortsätter obevekligt tills det orsakar en sådan sammanbrott som ingenting mindre än händelsehorisontens radie kan fly, inte ens ljus.

I jämförelse är ett maskhål en exceptionell förekomst, en följd av en hypotetisk anomali vid rumtidens krökning. I teorin är det möjligt att gå igenom dem.

Men om någon försökte passera genom ett svart hål, skulle den intensiva tyngdkraften och extrema strålningen i närheten av singulariteten göra den till en tunn tråd av subatomiska partiklar.

Det finns indirekt bevis och endast mycket nyligen direkt bevis för att det finns svarta hål. Bland dessa bevis är utsläpp och detektering av gravitationella vågor genom attraktion och rotation av två kolossala svarta hål, detekterade av LIGO-gravitationsvågobservatoriet.

Det finns bevis för att i mitten av stora galaxer, som vårt Vintergata, finns ett supermassivt svart hål.

Den snabba rotationen av stjärnorna nära centrum, liksom den enorma mängden högfrekvent strålning som härrör från den, är indirekt bevis för att det finns ett stort svart hål som förklarar närvaron av dessa fenomen.

Det var först 10 april 2019 att det första fotot av ett supermassivt svart hål (7000 miljoner gånger solens massa) visades för världen, belägen i en mycket avlägsen galax: Messier 87 i Virgo konstellationen till 55 miljoner av ljusår från jorden.

Detta fotografi av ett svart hål var möjligt tack vare det globala nätverket av teleskop, kallat "Event Horizon Telescope", med deltagande av mer än 200 forskare från hela världen.

Av ormhålen istället finns det inga bevis för hittills. Forskare har kunnat upptäcka och spåra ett svart hål, men detsamma har inte varit möjligt med maskhål.

Därför är de hypotetiska föremål, även om de är teoretiskt genomförbara, eftersom de samtidigt var svarta hål.

Variety / typer av maskhål

Även om de ännu inte har detekterats, eller kanske just på grund av detta, har de föreställt sig olika möjligheter för maskhål. Alla är teoretiskt möjliga, eftersom de uppfyller Einsteins ekvationer för generell relativitet. Här är några:

• Wormholes som förbinder två spatio-temporala regioner i samma universum.
• Wormholes som kan ansluta ett univers med ett annat universum.
• Broar av Einstein-Rosen, i vilken fråga som kunde passera från en öppning till den andra. Även om detta steg av materia skulle orsaka en instabilitet, som orsakar tunneln att kollapsa på sig själv.
• Wormhole av Kip Thorne, med ett sfäriskt skal av negativ massa materia. Den är stabil och atravesable i båda riktningarna.
• Det så kallade Schwarzschild-maskhålet, som består av två statiska svarta hål anslutna. De är inte traversabla, eftersom materia och ljus är fångade mellan båda ändarna.
• Wormholes med belastning och / eller rotation eller Kerr, som består av två internt kopplade dynamiska svarta hål, som kan traverseras i en enda riktning.
• Kvantum rymdtidskum, vars existens teoretiseras på subatomär nivå. Skummet består av mycket instabila subatomiska tunnlar som förbinder olika områden. Att stabilisera och expandera dem skulle kräva skapandet av en kvark och gluonplasma, vilket skulle kräva en nästan oändlig mängd energi för sin generation.
• På senare tid, tack vare strängteori, har det teoretiserats om maskhål som stöds av kosmiska strängar.
• Svarta hål sammanflätade och separerade sedan, varifrån ett rymdtidshål, eller Einstein-Rosenbro som hålls samman av tyngdkraften, dyker upp. Det är en teoretisk lösning som föreslogs i september 2013 av fysikerna Juan Maldacena och Leonard Susskind.

Allt är fullt möjligt, eftersom de inte står i motsats till Einsteins ekvationer av generell relativitet.

Är det möjligt att se maskhål en dag?

Under lång tid var svarta hål teoretiska lösningar på Einsteins ekvationer. Einstein själv ifrågasatte möjligheten att de någonsin skulle kunna upptäckas av mänskligheten.

Så länge var de svarta hålen en teoretisk förutsägelse tills de hittades och lokaliserades. Forskare har samma hopp om maskhål.

Det är mycket möjligt att de också är där, men de har inte lärt sig att hitta dem. Även enligt en mycket ny publikation skulle maskhål lämna spår och skuggor observerbara även med teleskop.

Man tror att fotoner rör sig runt maskhålet som alstrar en ljusring. Närmaste fotoner faller in och lämnar en skugga som skiljer dem från svarta hål.

Enligt Rajibul Shaikh, en fysiker vid Tata-institutet för grundforskning i Mumbai i Indien, skulle en typ av roterande maskhål producera en större och snedställd skugga än ett svart hål.

I sitt arbete har Shaikh studerat de teoretiska skuggorna som projiceras av en viss klass av roterande maskhål, med fokus på den avgörande rollen i hålets hals för bildandet av en fotonskugga som identifierar och skiljer den från ett svart hål.

Shaikh har också analyserat skuggans beroende av vevhålets rotation och har också jämfört den med skuggan som projiceras av ett roterande svart hål i Kerr, vilket visar betydande skillnader. Det är ett helt teoretiskt arbete.

Bortsett från det, förblir ormhål för tillfället som matematiska abstraktioner, men det är möjligt att man snart kommer att kunna se dem. Vad är på den andra ytterligheten, förblir förblir föremål för gissning.