Hipotetiniai Einšteino lygčių sprendiniai ir jų ekstremalios (nors nepatvirtintos) prasmės
Teorinis kontekstas
Remiantis bendruoju reliatyvumu, masės-energijos pasiskirstymas gali kreipti erdvėlaikį. Nors standartiniai astrofiziniai objektai – juodosios skylės ar neutroninės žvaigždės – rodo stiprias, bet „įprastas“ išlinkimo formas, tam tikri matematiškai galiojantys sprendiniai pranašauja kur kas egzotiškesnes struktūras: kirminų skyles, dažnai vadinamas „Einšteino–Roseno tiltais“. Teoriškai, kirminų skylė galėtų sujungti dvi atokias erdvėlaikio sritis, leisdama iš vieno „angalo“ į kitą nuskrieti greičiau nei įprastu maršrutu. Ekstremalūs atvejai galbūt net sieja skirtingas visatas ar leidžia uždaras laiko panašias kreives – sudarydamos galimybes kelionėms laiku.
Tačiau atotrūkis tarp teorijos ir realybės čia didelis. Kirminų skylių sprendiniuose paprastai būtina egzotinė materija su neigiama energijos tankiu, kad jos būtų stabilios, o jokie tiesioginiai eksperimentiniai ar stebėjimų duomenys kol kas nepatvirtina jų buvimo. Nepaisant to, kirminų skylės išlieka vaisinga teorinė sritis, jungianti reliatyvistinę geometriją su kvantinėmis laukų savybėmis ir kelianti gilias filosofines diskusijas apie priežastingumą.
2. Kirminų skylės pagrindai: Einšteino–Roseno tiltai
2.1 Švarcšildo (Einšteino–Roseno) kirminų skylės
1935 m. Albertas Einšteinas ir Nathanas Rosenas svarstė „tiltą“, gaunamą pratęsiant Švarcšildo juodosios skylės sprendinį. Šis Einšteino–Roseno tiltas matematiškai jungia dvi atskiras asimptotiškai lygias erdvėlaikio sritis („išoriniai pasauliai“) per juodosios skylės vidų. Tačiau:
- Toks tiltas yra nepereinamas – jis „užsiveria“ greičiau, nei kas spėtų per jį pereiti, subyrėdamas, jei kas nors bando skverbtis.
- Tai prilygsta juodosios skylės ir baltosios skylės porai maksimaliai išplėstame erdvėlaikyje, tačiau „baltosios skylės“ sprendinys nestabilus ir nerealizuojamas gamtoje.
Taigi paprasčiausi klasikinės juodosios skylės sprendiniai neleidžia patvaraus, pereinamo kirminų skylės koridoriaus [1].
2.2 Morriso–Thorne tipo pereinamos kirminų skylės
Vėliau (apie 1980 m.) Kipas Thorne‘as (Kip Thorne) su kolegomis nuosekliai nagrinėjo „pereinamas“ (traversable) kirminų skyles – sprendinius, galinčius ilgiau išlikti atvirus medžiagai pereiti. Paaiškėjo, kad norint išlaikyti „gerklę“ atvirą, dažnai būtina „egzotinė materija“ su neigiama energija ar keistomis savybėmis, pažeidžiančiomis įprastas energijos sąlygas (pvz., nulinę energijos sąlygą). Kol kas nėra žinoma, kad realus makroskopinis laukas turėtų tokias savybes, nors kai kurie kvantiniai reiškiniai (Kazimiro efektas) teikia menką neigiamą energiją. Ar to užtenka, kad makroskopinė kirminų skylė egzistuotų, tebėra neaišku [2,3].
2.3 Topologinė struktūra
Kirminų skylę galima suvokti kaip „rankeną“ erdvėlaikio manifold‘e. Užuot judėję įprastu 3D būdu iš A į B, keliautojas galėtų patekti į „angą“ ties A, pereiti „gerkle“ ir išlįsti B taške, gal net visai kitoje srityje ar kitoje visatoje. Tokia geometrija labai sudėtinga ir reikalauja tiksliai suderintų laukų. Nesant egzotinių laukų, kirminų skylė subyrėtų į juodąją skylę, nebeleisdama jokio judėjimo iš vienos pusės į kitą.
3. Kelionės laiku ir uždaros laiko panašios kreivės
3.1 Kelionių laiku sąvoka BR teorijose
Bendrojo reliatyvumo atveju „uždaros laiko panašios kreivės (CTC)“ yra erdvėlaikio kilpos, grįžtančios į ankstesnį laiko momentą – teoriškai leidžiančios susitikti pačiam su savimi praeityje. Sprendiniai kaip Gödel‘io besisukanti Visata ar kai kurios sukimo reikšmės Kerro juodosiose skylėse rodo, kad tokios kreivės matematiškai galimos. Jei kirminų skylės „angų“ judėjimą tinkamai suderinti, viena „anga“ gali nukakti anksčiau nei kita (dėl reliatyvių laiko tįsų), ir taip susidarytų laiko kilpos [4].
3.2 Paradoksai ir priežastingumo apsauga
Kelionės laiku kelia paradoksus – pvz., „senelio paradoksą“. Stephenas Hawkingas svarstė „priežastingumo apsaugos hipotezę“, manančią, kad fizikiniai dėsniai (kvantinė atgalinė sąveika ar kiti reiškiniai) užkerta kelią makroskopinėms laiko kilpoms. Dauguma skaičiavimų rodo, kad bandant sukurti laiko mašiną, padidėja vakuumo poliarizacija ar atsiranda nestabilumų, sugriaunančių struktūrą dar prieš jai suveikiant.
3.3 Eksperimentinės galimybės?
Nėra žinomų astrofizikinių procesų, kuriančių stabilias kirminų skyles ar laiko kelionių vartus. Tam reikėtų itin didelių energijų ar egzotinės materijos, kurios neturime. Teoriškai BR nevisiškai draudžia lokalias CTC, bet kvantinės gravitacijos efektai ar kosminė cenzūra, matyt, juos draustų pasauliniu mastu. Todėl kelionės laiku kol kas tik spekuliacija, be realių stebėjimo patvirtinimų.
4. Neigiama energija ir „egzotinė materija“
4.1 Energijos sąlygos BR
Klasikinėje lauko teorijoje paprastai galioja energijos sąlygos (pvz., silpnoji ar nulinė energijos sąlyga), teigiančios, kad lokaliai energija negali būti neigiama. Kirminų skylės egzistavimas, leidžiantis jas pereiti, dažniausiai reikalauja šių sąlygų pažeidimų, vadinasi, neigiama energijos tankio. Šis reiškinys makroskopiniame lygmenyje nėra žinomas. Kvantuose (pvz., Kazimiro efektas) galima menkos neigiamos energijos, bet vargu ar to užtektų stabiliems, dideliems kirminų tuneliams.
4.2 Kvantiniai laukai ir Hokingo vidutiniai dydžiai
Kai kurios teorijos (Ford–Roman apribojimai) bando suvokti, kiek didelis ar ilgalaikis gali būti neigiamas tankis. Nors nedidelės neigiamos energijos vertės kvantiniuose masteliuose realios, makroskopinės kirminų skylės palaikymas galėtų reikalauti milžiniškų egzotinių resursų, dabartinei fizikai nepasiekiamų. Kai kurie kiti egzotiški scenarijai (pvz., tachionai, „varpo pavaros“ idėjos) taip pat liko neįrodytais spėliojimais.
5. Stebėjimai ir tolesnės teorinės paieškos
5.1 Galimos gravitacinės „kirminų skylės“ signatūros
Jei kokia nors „pereinama“ kirminų skylė egzistuotų, ji sukeltų neįprastą lęšiavimą ar kitas dinamikos anomalijas. Kartais spėjama, kad kai kurie galaktinio lęšiavimo neatitikimai galėtų byloti apie kirminų skylę, bet patvirtinimų nėra. Surasti ilgalaikį „parašą“, įrodantį kirminų skylės egzistavimą, būtų labai sunku, ypač jei bandymas pereiti pasirodytų pavojingas ar skylė nepakankamai stabili.
5.2 Dirbtinis sukūrimas?
Teoriškai pasakius, itin išsivysčiusi civilizacija galėtų bandyti „išpūsti“ ar stabilizuoti kvantinę kirminų skylę egzotine materija. Bet dabartinė fizika rodo reikalavimus, gerokai viršijančius turimus šaltinius. Net kosminiai styginiai dariniai ar topologinės defektų sienos, ko gero, nepakanka masyviam kirminų kanalui atverti.
5.3 Tęstiniai teoriniai tyrimai
Stygų teorija ir daugiamačiai modeliai kartais duoda kirminų skylėms giminingų sprendinių, ar branų pasaulių interpretacijas. AdS/CFT atspindžiai (holografinis principas) svarsto, kaip juodųjų skylių vidus ar „kirminų skylės“ susietumas gali pasireikšti per susietumą kvantiniais kanalais. Kai kurie mokslininkai (pvz., „ER = EPR“ Maldacena/Susskind hipotezė) diskutuoja apie entanglement‘o ir erdvėlaikio susiejimą. Tačiau kol kas tai – konceptualūs modeliai be eksperimentinio patvirtinimo [5].
6. Kirminų skylės popkultūroje ir poveikis vaizduotei
6.1 Mokslinė fantastika
Kirminų skylės populiarios mokslinėje fantastikoje kaip „žvaigždžių vartai“ ar „šuolio taškai“, suteikiantys beveik momentinę kelionę tarp žvaigždžių. Filme „Interstellar“ pavaizduota kirminų skylė kaip sferinė „anga“, vizualiai remiantis Morriso–Thorne‘o sprendiniais. Nors efektinga kine, reali fizika kol kas nepagrindžia stabilių, pereinamų kirminų tunelių.
6.2 Visuomenės smalsumas ir švietimas
Kelionės laiku istorijos žadina visuomenės susidomėjimą paradoksais (pvz., „senelio paradoksas“ ar „uždaros laiko kilpos“). Nors viskas tebėra spekuliacija, tai skatina plačiau domėtis reliatyvumu ir kvantine fizika. Mokslininkai tuo naudojasi, kad paaiškintų gravitacinės geometrijos realijas, milžiniškus energijos poreikius bei tai, kaip gamta veikiausiai neleidžia lengvai sukurti trumpųjų jungčių ar laiko kilpų paprastame klasikinės/kvantinės fizikos derinyje.
7. Išvada
Kirminų skylės ir kelionės laiku – vieni ekstremaliausių (kol kas nepatvirtintų) Einšteino lygčių padarinių. Nors tam tikri bendrojo reliatyvumo sprendiniai rodytų „tiltus“ tarp skirtingų erdvėlaikio zonų, visi praktiški bandymai rodo poreikį egzotinės materijos su neigiama energija, antraip toks „koridorius“ subyrės. Jokie stebėjimai neįrodo realių, stabilių kirminų skylės darinių, o mėginimai jas panaudoti kelionėms laiku susiduria su paradoksais ir tikėtina kosmine cenzūra.
Vis dėlto, ši tema išlieka turtinga mąstymo erdvė teorijose, derinant gravitacinę geometriją su kvantiniu lauko aprašu bei begalinį smalsumą apie tolimų civilizacijų ar būsimų technologijų proveržius. Vien pati galimybė – kad egzistuoja kosminiai kelių trumpiniai ar atbulinė kelionė laike – parodo neįtikėtiną bendrojo reliatyvumo sprendinių platumą, skatinantį mokslinę vaizduotę. Kol kas, be eksperimentinių ar stebėjimo patvirtinimų, kirminų skylės lieka tik neištirta teorinės fizikos sritis.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Einstein, A., & Rosen, N. (1935). “The particle problem in the general theory of relativity.” Physical Review, 48, 73–77.
- Morris, M. S., & Thorne, K. S. (1988). “Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity.” American Journal of Physics, 56, 395–412.
- Visser, M. (1995). Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking. AIP Press.
- Thorne, K. S. (1994). Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. W. W. Norton.
- Maldacena, J., & Susskind, L. (2013). “Cool horizons for entangled black holes.” Fortschritte der Physik, 61, 781–811.