Ako si potriasť rukami, kto odletel z budúcnosti? Prečo sa vo vašej izbe môže zrazu objaviť lev? Ako sa dostať do iného vesmíru, navštíviť stroj času a čo je „biela diera“? O tom hovoril Sergey Krasnikov, vedecký pracovník Laboratória fyziky hviezd (Pulkovo).
Sergey Vladilenovich, čo je červia diera?
- Neexistuje žiadna veľmi prísna definícia. Takéto definície sú potrebné, keď preukážete niektoré vety, ale neexistujú takmer žiadne prísne vety, preto sa obmedzujú hlavne na obrazové koncepty, obrázky. Predstavte si, že sme vybrali loptu z nášho trojrozmerného priestoru v jednej miestnosti a vytiahli presne tú istú loptu v inej miestnosti a prilepili výsledné hranice týchto dier.
Keď teda v jednej miestnosti vstúpime do tejto bývalej gule, ktorá sa stala dierou, vyjdeme z inej miestnosti - z diery, ktorá sa vytvorila namiesto inej gule. Keby náš priestor nebol trojrozmerný, ale dvojrozmerný, vyzeralo by to ako list papiera, na ktorý je nalepené pero. Trojrozmerný analóg a jeho vývoj v priebehu času sa nazýva červí diera.
Ako sa študujú červí diery?
- Toto je čisto teoretická činnosť. Nikto nikdy nevidel červie diery a všeobecne neexistuje žiadna istota, že vôbec existujú. Začali študovať červie diery, počnúc otázkou: Existujú také mechanizmy v prírode, ktoré by nám zaručili, že také diery v prírode nemôžu existovať? Tieto mechanizmy neboli nájdené, takže môžeme predpokladať, že červie diery sú skutočným javom.
Je možné v zásade vidieť červiu dieru?
Propagačné video:
- Samozrejme. Ak sa v uzamknutej miestnosti náhle vylezete z ničoho človeka, potom pozorujete červiu dieru. Červy ako predmet štúdia vymyslel a propagoval americký teoretický fyzik John Wheeler, ktorý s ich pomocou chcel vysvetliť, nič viac, nič menej - elektrické náboje. Vysvetlite nám to. Popísať voľné elektrické pole z hľadiska teoretickej fyziky nie je príliš náročná úloha.
Je však veľmi ťažké opísať elektrický náboj z rovnakého hľadiska. Elektrický náboj sa v tomto zmysle javí ako veľmi záhadná vec: nejaká látka, oddelená od poľa, neznámeho pôvodu a nie je jasné, ako s ňou zaobchádzať v klasickej fyzike. Wheelerova myšlienka bola nasledovná. Povedzme, že máme mikroskopickú červiu dierku, ktorá je preliačená silovými líniami - z jedného konca do nej vstupujú a z druhého vystupujú.
Vonkajší pozorovateľ, ktorý nevie, že tieto dva konce sú spojené silovými líniami, taký objekt vníma ako jednoduchú guľu v priestore, preskúma pole okolo neho a bude vyzerať ako pole bodového náboja. Iba pre pozorovateľa sa bude zdať, že je to nejaká záhadná látka, ktorá má náboj atď., A to všetko preto, že nevie, že v skutočnosti je to červia diera.
Je to, samozrejme, veľmi elegantný nápad a mnohí sa ho pokúsili rozvinúť, ale nedosiahli veľký pokrok, pretože elektróny sú koniec koncov kvantovými objektmi a, samozrejme, nikto nevie opísať červie diery na kvantovej úrovni. Ale ak predpokladáme, že hypotéza je správna, potom sú červí diery viac ako každodenný fenomén, všetko, čo súvisí s elektrinou, bude nakoniec spojené s nimi.
Exotická hmota je klasický koncept fyziky, ktorý opisuje akúkoľvek (zvyčajne hypotetickú) látku, ktorá porušuje jeden alebo viac klasických stavov alebo sa netýka známych baryónov. Takéto látky môžu mať skôr negatívnu energetickú hustotu alebo odpudzujú, ako priťahujú kvôli gravitácii. Exotická hmota sa používa v niektorých teóriách, napríklad v teórii štruktúry červí diery. Najslávnejším predstaviteľom exotických látok je vákuum v regióne so záporným tlakom spôsobeným Casimirovým efektom.
Aké sú červí diery?
- Z hľadiska teoretického cestovania existujú priechodné a nepriechodné červie diery. Neprekonateľné sú tie, ktorými je priechod zničený, a to sa deje tak rýchlo, že žiadny objekt jednoducho nemá čas ísť z jedného konca na druhý. Najzaujímavejšie pre štúdium je, samozrejme, druhý typ červích otvorov - priechodný. Existuje dokonca krásna teória, ktorá hovorí, že to, čo sme si mysleli ako o supermasívnych čiernych dierach v centrách galaxií, sú v skutočnosti ústami červích dier. Táto teória je takmer nerozvinutá a, prirodzene, zatiaľ nenašla žiadne potvrdenie, existuje skôr ako určitý druh nápadu. Jeho podstatou je, že mimo červej dierky vidíte iba to, že v strede galaxie je určitý sféricky symetrický objekt, ale nemôžete povedať, čo to je - červia diera alebo čierna diera.pretože ste mimo tohto objektu.
V skutočnosti ich možno rozlíšiť iba jedným parametrom - hmotnosťou. Ak sa ukáže, že hmotnosť je negatívna, potom je to s najväčšou pravdepodobnosťou červia diera, ale ak je hmotnosť kladná, sú potrebné ďalšie informácie, pretože čierna diera sa môže ukázať ako červia diera. Negatívna omša je všeobecne jedným z ústredných momentov celého príbehu červí diery. Pretože červia diera, aby bola priechodná, musí byť vyplnená tým, čo sa nazýva exotická látka - látka, v ktorej je energetická hustota aspoň na niektorých miestach záporná.
Na klasickej úrovni nikto takúto látku nikdy nevidel, ale vieme s istotou, že v zásade môže existovať. Zaznamenali sa kvantové účinky, ktoré vedú k vzniku takejto látky. Toto je pomerne dobre známy jav a nazýva sa Casimirov efekt. Bola oficiálne zaregistrovaná. A práve to súvisí s existenciou negatívnej hustoty energie, ktorá je veľmi inšpirujúca.
Casimirov efekt je účinok spočívajúci vo vzájomnej príťažlivosti vedenia nenabitých telies pod vplyvom kvantových fluktuácií vo vákuu. Najčastejšie hovoríme o dvoch paralelných nenabitých zrkadlových povrchoch umiestnených v tesnej vzdialenosti, ale Casimirov efekt existuje aj pre zložitejšie geometrie. Dôvodom je kolísanie energie fyzického vákua v dôsledku neustáleho vytvárania a vymiznutia virtuálnych častíc v ňom. Účinok predpovedal holandský fyzik Hendrik Casimir v roku 1948 a neskôr sa experimentálne potvrdil.
Všeobecne je v kvantovej vede záporná hustota energie pomerne bežná vec, s ktorou je spojené napríklad Hawkingovo odparovanie. Ak takáto hustota existuje, môžeme si položiť nasledujúcu otázku: aká veľká je hmotnosť čiernej diery (parameter gravitačného poľa, ktorý vytvára)? Existuje riešenie tohto problému, ktoré je použiteľné na čierne diery - to znamená, objekty s kladnou hmotou, a existuje riešenie, ktoré je použiteľné na zápornú hmotu.
Ak je v červej diere dostatok exotických látok, potom bude mimo hmoty tohto objektu záporné. Preto jedným z hlavných typov „pozorovania“červí diery je sledovanie objektov, v súvislosti s ktorými sa dá predpokladať, že majú zápornú hmotnosť. A ak nájdeme taký objekt, potom s pomerne vysokou pravdepodobnosťou môžeme povedať, že je to červia diera.
Červí diery sa tiež delia na svet a medzi svet. Ak zničíme tunel medzi dvoma ústami druhého typu otvorov, uvidíme dva úplne neprepojené vesmíry. Taká červia diera sa nazýva medzirezort. Ak však urobíme to isté a uvidíme, že je všetko v poriadku - zostali sme v rovnakom vesmíre - máme červiu dieru vo svete. Tieto dva typy červí diery majú veľa spoločného, je tu však aj dôležitý rozdiel. Faktom je, že červí diera vo svete, ak existuje, má tendenciu zmeniť sa na stroj času. V skutočnosti to bolo na pozadí tohto predpokladu, že sa objavil posledný nárast záujmu o červí diery.
V prípade červej diery vo svete existujú dva rôzne spôsoby, ako sa pozerať na suseda: priamo tunelom alebo kruhovým objazdom. Ak začnete pohybovať jedným ústom červej dierky vo vzťahu k druhému, potom v súlade so známym paradoxom dvojčiat bude druhá osoba, ktorá sa vracia z cesty, mladšia ako tá, ktorá zostala. Na druhú stranu, keď sa pozriete cez tunel, sedíte v laboratóriách nehybne, z vášho pohľadu sa nič nestane, vaše hodiny sú synchronizované. Takže máte teoretickú príležitosť ponoriť sa do tohto tunela a vystúpiť vo chvíli, keď z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa predchádza okamihu, keď ste sa potápali. Ak sa oneskorenie prinesie v primeranej miere, vznikne možnosť takéhoto kruhového pohybu v časopriestore,keď sa vrátite do svojho pôvodného východiskového bodu a potriasť rukou svojej predchádzajúcej inkarnácie.
Paradox dvojčiat je myšlienkovým experimentom, s ktorým sa pokúšajú „dokázať“nesúlad špeciálnej teórie relativity. Podľa SRT sa z pohľadu „stacionárnych“pozorovateľov spomaľujú všetky procesy pohybujúcich sa objektov. Na druhej strane princíp relativity deklaruje rovnosť inerciálnych referenčných rámcov. Na základe toho sa vytvára argumentácia, ktorá vedie k zjavnému rozporu. Pre prehľadnosť sa uvažuje o príbehu dvoch bratov dvojčiat. Jeden z nich (cestujúci) ide na vesmírny let a druhý (pobyt doma) zostáva na Zemi. Najčastejšie je „paradox“formulovaný takto:
Z hľadiska gaučových zemiakov majú hodiny pohybujúceho sa cestujúceho pomalý čas, takže pri návrate by mali zaostávať za hodinami gaučových zemiakov. Na druhej strane sa Zem pohybovala vo vzťahu k cestujúcemu, takže hodiny domácnosti by mali zaostávať. V skutočnosti sú bratia rovnocenní, a preto by sa po návrate mali hodinky zobraziť v rovnakom čase. Podľa SRT však cestovné hodinky budú zaostávať. Toto porušenie zjavnej symetrie bratov sa považuje za protirečenie.
Aký je zásadný rozdiel medzi červou dierou a čiernou dierou?
- Najprv musím povedať, že existujú dva typy čiernych dier - tie, ktoré vznikli v dôsledku zrútenia hviezd, a tie, ktoré pôvodne existovali, vznikli so vznikom samotného Vesmíru. Jedná sa o dva zásadne odlišné typy čiernych dier. Naraz existoval taký koncept ako „biela diera“, teraz sa zriedka používa. Biela diera je rovnaká čierna, ale časom sa vyvíja dozadu. Hmota len letí do čiernej diery, ale nikdy odtiaľ nemôže uniknúť. Naopak z bielej diery hmota iba letí, ale do nej sa nemôžete dostať žiadnym spôsobom. V skutočnosti je to veľmi prirodzené, ak si uvedomíme, že Všeobecná teória relativity je symetrická v čase, čo znamená, že ak existujú čierne diery, musia existovať aj biele diery. Ich úplnosť je červia diera.
Čo je známe o vnútornej štruktúre červích otvorov?
- Zatiaľ sa v tomto zmysle stavajú iba modely. Na jednej strane vieme, že vzhľad tejto exotickej hmoty mohol byť objavený dokonca experimentálne, stále však existuje veľa otázok. Jediný známy model červej diery, ktorý je viac-menej v zhode s realitou, je model červenej diery, ktorá sa pôvodne vyparovala (od začiatku vesmíru). V dôsledku tohto odparovania zostáva takáto diera po dlhú dobu priechodná.
Na čom presne pracuješ?
- Venujem sa čisto teoretickej činnosti, čo sa dá všeobecne nazvať príčinnou štruktúrou časopriestoru, je klasická teória relativity, niekedy semiklasická (kvantová, ako viete, ešte neexistuje).
V klasickej nerelativistickej teórii je možné dospieť k dostatočne presvedčivým dôkazom, že cestovanie v čase nemôže existovať, ale vo všeobecnosti relativita takýto dôkaz neexistuje. A Einstein, keď práve rozvíjal svoju teóriu, si toho bol vedomý. Uvažoval, či existuje nejaký spôsob, ako túto možnosť vylúčiť. Potom sa tejto úlohe nevyrovnal, ako sám neskôr povedal. Hoci Einstein vytvoril jazyk na štúdium tohto problému, úloha zostala akademická. Záujem o to explodoval koncom štyridsiatych rokov, keď Gödel navrhol kozmologický model obsahujúci takéto uzavreté krivky.
Ale keďže Gödel vždy ponúkol niečo exotické, reagovali na to so záujmom, ale bez vážnych vedeckých dôsledkov. A potom, koncom minulého storočia, najmä vďaka sci-fi - napríklad film „Kontakt“s Jodie Fosterom - sa opäť oživil záujem o tému cestovania v čase pomocou červí diery. Autor románu, podľa ktorého bol napísaný scenár filmu, je veľmi slávny astronóm, popularizátor vedy Carl Sagan.
Veľmi sa k veci priblížil a požiadal svojho priateľa, tiež veľmi známeho relativistu Kipa Thorneho, aby zistil, či je všetko, čo je uvedené vo filme, možné z hľadiska vedy. A v časopise pre amerických učiteľov fyziky publikoval polopopulárny článok „Červy ako nástroj na štúdium všeobecnej teórie relativity“, v ktorom zvažoval možnosť cestovania časom cez červie diery.
A musím povedať, že v sci-fi bola populárna myšlienka cestovania cez čierne diery. Pochopil však, že čierna diera je absolútne nepreniknuteľným objektom - cestovať cez ne je nemožné, a preto považoval červie diery za príležitosť na cestovanie v čase. Aj keď to bolo známe už predtým, ale z nejakého dôvodu ľudia brali jeho závery ako úplne nový nápad a ponáhľali sa ho preskúmať. Okrem toho sa dôraz kládol na predpoklad, že stroj času nemôže existovať, ale rozhodli sme sa zistiť prečo. A pomerne rýchlo sa ukázalo, že neexistujú žiadne zjavné námietky proti existencii takého stroja. Odvtedy sa začali rozsiahlejšie štúdie a začali sa objavovať teórie. Všeobecne platí, že odvtedy to robím tiež.
„Kontakt“je sci-fi film z roku 1997. Réžia: Robert Zemeckis. Hlavný dej: Ellie Arroway (Judy Foster) celý svoj život venovala vede, stáva sa účastníkom projektu na hľadanie mimozemskej inteligencie. Všetky pokusy o hľadanie mimozemských signálov sú zbytočné a je v hre budúcnosť jej projektu. Ellie sa snaží nájsť podporu, ale nečakane dostane pomoc od výstredného miliardára Haddena. A tu je výsledok - Ellie zdvihne signál. Dekódovanie signálu ukazuje, že obsahuje popis technického zariadenia. Jeho účel nie je jasný, ale miesto pre jednu osobu sa plánuje vo vnútri.
Po vytvorení a spustení zariadenia sa Ellie vydá na cestu cez červí dierkový systém a transportuje sa pravdepodobne na planétu v inom hviezdnom systéme. Zobudila sa tam na brehu mora a stretla sa so zástupcom inej civilizácie, ktorá si vybrala obraz svojho zosnulého otca. Pri pohľade okolo hrdinka si uvedomuje, že táto oblasť bola obnovená mimozemskou mysľou v jej mysli na obrázku kresby, ktorú nakreslila v detstve. Cudzinec jej hovorí, že zariadenie umožňuje organizovať systém medzihviezdnych komunikačných trás a Zem sa odteraz stáva členom spoločenstva civilizácií vesmíru.
Ellie sa vracia na Zem. Z pohľadu vonkajších pozorovateľov sa jej po spustení inštalácie nič nestalo a jej telo neopustilo našu planétu. Ellie sa ocitla v paradoxnej situácii. Ako vedkyňa z hľadiska prísnej vedy nemôže nijakým spôsobom potvrdiť jej slová. Objavila sa ešte jedna okolnosť: videokamera pripojená k Ellie počas cesty nezaznamenala nič, ale trvanie prázdneho záznamu nebolo pár sekúnd, ale 18 hodín …
Je možné „urobiť“červiu dieru?
- Len o tom je prísny vedecký výsledok. Je to spôsobené skutočnosťou, že neexistujú žiadne presné výsledky pri štúdiu červí diery. Existuje veta dokázaná už dávno, a hovorí to nasledujúce. Existuje niečo ako globálna hyperbolicita. V tomto prípade vôbec nezáleží na tom, čo to znamená, ale ide o to, že hoci je vesmír globálne hyperbolický, nie je možné vytvoriť červiu dieru - môže existovať v prírode, ale nemôžete si ju urobiť sami.
Ak sa vám podarí prelomiť globálnu hyperbolicitu, možno si môžete vytvoriť červiu dieru. Faktom však je, že toto porušenie samo osebe je také exotické, takže zle študované a zle pochopené, že vedľajší účinok zrodenia červej dierky je už relatívne malý v porovnaní so skutočnosťou, že sa vám podarilo porušiť globálnu hyperbolicitu.
Deje sa tu veľmi slávna vec, nazývaná „zásada prísnej kozmickej cenzúry“, ktorá hovorí, že vesmír je vždy globálne hyperbolický. Toto však v zásade nie je nič iné ako želanie. Neexistuje žiadny dôkaz o správnosti tohto princípu, existuje len určitá vnútorná dôvera, ktorá je pre mnohých ľudí spojená s tým, že časopriestor by mal byť globálne hyperbolický. Ak je to tak, nie je možné vytvoriť červiu dieru - musíte hľadať už existujúcu. Medzitým vážne pochybnosti o vernosti zásady kozmickej cenzúry vyjadril sám autor - Roger Penrose, ale to je ďalší príbeh.
To znamená, že vytvorenie červej diery vyžaduje nejaké vážne náklady na energiu?
- Je veľmi ťažké niečo tu povedať. Problém je v tom, že keď dôjde k porušeniu vašej globálnej hyperbolicity, potom sa zároveň poruší predvídateľnosť - to je prakticky to isté. Priestor okolo seba môžete nejakým spôsobom geometricky zmeniť, napríklad si zobrať tašku a dať ju na iné miesto. Existujú však určité limity, v rámci ktorých môžete urobiť, najmä limit stanovený predvídateľnosťou. Napríklad môžete niekedy povedať, čo sa stane za 2 sekundy a niekedy nie. Okraj toho, čo môžete alebo nemôžete predpovedať, spočíva práve v globálnej hyperboličnosti. Ak je váš časopriestor globálne hyperbolický, môžete predpovedať jeho vývoj.
Ak predpokladáme, že v určitom okamihu to narúša globálnu hyperbolicitu, všetko sa s predvídateľnosťou veľmi zhoršuje. Preto vzniká úžasná vec, napríklad, že tu a teraz sa môže objaviť červí diera, cez ktorú vyskočí lev. Bude to exotický fenomén, ale neporuší žiadne fyzikálne zákony. Na druhej strane môžete vynaložiť veľké úsilie, peniaze a zdroje, aby ste tento proces nejako uľahčili. Výsledok však bude stále rovnaký - v oboch prípadoch neviete, či sa červí diera objaví alebo nie. V klasickej fyzike s tým nemôžeme urobiť nič - ak chce, chce, nechce, nevznikne - kvantová veda nám v tejto veci nedáva žiadne stopy.
Princíp „kozmickej cenzúry“bol formulovaný v roku 1969 Rogerom Penroseom v tejto obrazovej podobe: „Príroda upiera nahej jedinečnosti“. Hovorí sa, že na miestach, ktoré sú rovnako ako vnútorné oblasti čiernych dier skryté pred pozorovateľmi, sa vyskytujú singularity časopriestoru. Tento princíp ešte nebol dokázaný a existujú dôvody na pochybnosti o jeho absolútnej správnosti (napríklad zrútenie oblaku prachu s veľkou uhlovou hybnosťou vedie k „nahej singularite“, nie je však známe, či je toto riešenie Einsteinových rovníc stabilné vzhľadom na malé poruchy počiatočných údajov).
Penroseova formulácia (silná forma kozmickej cenzúry) naznačuje, že časopriestor ako celok je celkovo hyperbolický.
Neskôr Stephen Hawking navrhol inú formuláciu (slabá forma kozmickej cenzúry), v ktorej sa predpokladá iba globálna hyperbolicita „budúcej“zložky časopriestoru.
Olga Fadeeva