Hüpoteetilised Einsteini võrrandite lahendid ja nende äärmuslikud (kuigi kinnitamata) tähendused
Teoreetiline kontekst
Üldrelatiivsusteooria alusel võib massi-energia jaotus kõverdada ruum-aega. Kuigi tavalised astrofüüsikalised objektid – mustad augud või neutronitähed – näitavad tugevaid, kuid „tavalisi“ kõverusi, ennustavad mõned matemaatiliselt kehtivad lahendid palju eksootilisemaid struktuure: ussiaugud, mida sageli nimetatakse „Einsteini–Roseni sildadeks“. Teoreetiliselt võiks ussiauk ühendada kaks kauget ruum-aegset piirkonda, võimaldades ühest „avast“ teise lennata kiiremini kui tavapärasel marsruudil. Äärmuslikud juhtumid võivad isegi ühendada erinevaid universumeid või lubada sulgunud ajasarnaseid kõveraid – luues võimalusi aegreisideks.
Kuid lõhe teooria ja reaalsuse vahel on siin suur. Ussiaukude lahendustes on tavaliselt vajalik eksootiline aine negatiivse energiatihedusega, et need oleksid stabiilsed, ning ühtegi otsest eksperimentaalset või vaatlusandmeid nende olemasolu kinnitamiseks pole seni. Sellest hoolimata jäävad ussiaugud viljakaks teoreetiliseks valdkonnaks, mis ühendab relatiivsusteooria geomeetria kvantväljade omadustega ning tekitab sügavaid filosoofilisi arutelusid põhjuslikkuse üle.
2. Ussiaukude alused: Einsteini–Roseni sildad
2.1 Schwarzschildi (Einsteini–Roseni) ussiaugud
1935. aastal arutlesid Albert Einstein ja Nathan Rosen „silda“, mis tekib Schwarzschildi musta augu lahendi pikendamisel. See Einsteini–Roseni sild ühendab matemaatiliselt kaks eraldiseisvat asümptootiliselt võrdset ruum-aegset piirkonda („välismaailmad“) musta augu sees. Kuid:
- Selline sild on läbitamatu – see „sulgeb“ end kiiremini, kui keegi jõuaks selle kaudu läbida, lagunedes, kui keegi püüab tungida.
- See vastab musta augu ja valge augu paarile maksimaalselt laiendatud ruum-ajas, kuid „valge augu“ lahend on ebastabiilne ega esine looduses.
Seega lihtsamad klassikalised musta augu lahendid ei võimalda püsivat, läbitavat ussiaugu koridori [1].
2.2 Morrise–Thorne’i tüüpi läbitavad ussiaugud
Hiljem (umbes 1980. aastatel) uurisid Kip Thorne ja kolleegid järjepidevalt „läbitavaid“ ussiauke – lahendeid, mis võivad kauem avatud püsida aine läbimiseks. Selgus, et „kaela“ avatud hoidmiseks on sageli vajalik „eksootiline aine“ negatiivse energiaga või kummaliste omadustega, mis rikuvad tavapäraseid energiatingimusi (nt nullenergia tingimus). Seni ei ole teada, et reaalne makroskoopiline väli omaks selliseid omadusi, kuigi mõned kvantnähtused (nt Casimiri efekt) annavad väikest negatiivset energiat. Kas sellest piisab makroskoopilise ussiaugu olemasoluks, on endiselt ebaselge [2,3].
2.3 Topoloogiline struktuur
Ussiauku võib mõista kui „käepidet“ ruum-aegse manifoordi sees. Selle asemel, et liikuda tavapärasel 3D viisil punktist A punkti B, võiks rändur siseneda „avasse“ punktis A, läbida „kaela“ ja ilmuda punktis B, võib-olla hoopis teises piirkonnas või teises universumis. Selline geomeetria on väga keeruline ja nõuab täpselt kooskõlastatud välju. Ilma eksootiliste väljadeta laguneks ussiauk mustaks auguks, takistades igasugust liikumist ühest küljest teisele.
3. Aegreisid ja suletud ajasarnased kõverad
3.1 Aegreiside mõiste BR teooriates
Üldrelatiivsusteoorias on „suletud ajasarnased kõverad (CTC)“ ruum-aja silmused, mis naasevad varasemale ajamomendile – teoreetiliselt võimaldades kohtuda iseendaga minevikus. Lahendid nagu Gödeli pöörlev universum või mõned Kerr-musta augu pöörlemisväärtused näitavad, et sellised kõverad on matemaatiliselt võimalikud. Kui ussiaukude „avade“ liikumist õigesti kooskõlastada, võib üks „ava“ liikuda varem kui teine (relatiivsusteooria ajapikenemise tõttu), luues ajasilmuseid [4].
3.2 Paradoksid ja põhjuslikkuse kaitse
Aegreisid tekitavad paradokse – nt „vanaisa paradoksi“. Stephen Hawking arutles „põhjuslikkuse kaitse hüpoteesi“ üle, mis väidab, et füüsikaseadused (kvanttagasiside või muud nähtused) takistavad makroskoopiliste ajasilmuste tekkimist. Enamik arvutusi näitab, et ajamasina loomisel suureneb vaakumi polariseerumine või tekivad ebastabiilsused, mis hävitavad struktuuri enne selle toimimist.
3.3 Eksperimentaalsed võimalused?
Ei ole teada ühtegi astrofüüsikalist protsessi, mis looks stabiilseid ussiauke või aegreiside väravaid. Selleks oleks vaja väga suuri energiaid või eksootilist ainet, mida meil pole. Teoreetiliselt BR ei keela täielikult lokaalseid CTC-sid, kuid kvantgravitatsiooni efektid või kosmiline tsensuur tõenäoliselt keelaksid need maailmatasandil. Seetõttu on aegreisid praegu vaid spekulatsioon, ilma reaalsete vaatluslike kinnitusteta.
4. Negatiivne energia ja „eksootiline aine“
4.1 Energiatingimused BR-s
Klassikalises väliteoorias kehtivad tavaliselt energiatingimused (nt nõrk või nullenergia tingimus), mis ütlevad, et lokaalne energia ei saa olla negatiivne. Ussiaukude olemasolu, mis võimaldab neid läbida, nõuab tavaliselt nende tingimuste rikkumist, st negatiivset energiatihedust. See nähtus makroskoopilisel tasandil ei ole teada. Kvanttasandil (nt Casimiri efekt) on võimalik väike negatiivne energia, kuid kahtlemata ei pruugi sellest piisata stabiilsete, suurte ussiaukude jaoks.
4.2 Kvantväljad ja Hawkingi keskmised suurused
Mõned teooriad (Ford–Romani piirangud) püüavad mõista, kui suur või pikaajaline võib negatiivne tihedus olla. Kuigi väikesed negatiivse energia väärtused kvanttasandil on reaalsed, võiks makroskoopilise ussiaugu toetamine nõuda tohutuid eksootilisi ressursse, mis on praegusele füüsikale kättesaamatud. Mõned teised eksootilised stsenaariumid (nt tahhioonid, „kellaülekande“ ideed) on samuti jäänud tõestamata spekulatsioonideks.
5. Vaatlused ja edasised teoreetilised otsingud
5.1 Võimalikud gravitatsioonilised „ussiaugu“ signatuurid
Kui mõni „läbitav“ ussiauk eksisteeriks, tekitaks see ebatavalist kumerdumist või muid dünaamilisi anomaaliaid. Mõnikord oletatakse, et mõned galaktilise kumerduse ebakõlad võiksid viidata ussiaugule, kuid kinnitusi pole. Pikaajalise „allkirja“ leidmine, mis tõestaks ussiaugu olemasolu, oleks väga raske, eriti kui läbimine osutub ohtlikuks või auk pole piisavalt stabiilne.
5.2 Tehislik loomine?
Teoreetiliselt võiks väga arenenud tsivilisatsioon proovida „puhuda üles“ või stabiliseerida kvantus siauku eksootilise ainega. Kuid praegune füüsika näitab nõudeid, mis ületavad oluliselt olemasolevaid ressursse. Isegi kosmilised stringid või topoloogiliste defektide seinad ei pruugi olla piisavad massiivse ussiaugu avamiseks.
5.3 Jätkuvad teoreetilised uuringud
Stringiteooria ja mitmemõõtmelised mudelid annavad mõnikord ussiaukudele sarnaseid lahendeid või brane-maailmade tõlgendusi. AdS/CFT peegeldused (holograafiline printsiip) uurivad, kuidas mustade aukude sisemus või „ussiaukude“ seotus võib avalduda kvantkanalite kaudu. Mõned teadlased (nt „ER = EPR“ Maldacena/Susskind hüpotees) arutlevad põimumise ja ruum-aja seose üle. Kuid praegu on need kontseptuaalsed mudelid ilma eksperimentaalse kinnituseta [5].
6. Ussiaugud popkultuuris ja mõju kujutlusvõimele
6.1 Ulme
Ussiaugud on populaarsed ulmes kui „täheväravad“ või „hüppemärgid“, võimaldades peaaegu hetkeseid reise tähtede vahel. Filmis „Interstellar“ kujutati ussiauku sfäärilise „avana“, visuaalselt tuginedes Morrise–Thorne’i lahendustele. Kuigi see on kinematograafiliselt muljetavaldav, ei toeta reaalne füüsika seni stabiilsete, läbitavate ussiaukude olemasolu.
6.2 Ühiskonna uudishimu ja haridus
Aegreiside lood äratavad ühiskonnas huvi paradokside vastu (nt „vanaisa paradoks“ või „suletud ajasilmused“). Kuigi kõik on endiselt spekulatiivne, julgustab see laiemalt huvi tundma relatiivsusteooria ja kvantfüüsika vastu. Teadlased kasutavad seda, et selgitada gravitatsioonilise geomeetria reaalsust, tohutuid energiavajadusi ning miks loodus tõenäoliselt ei luba lihtsalt luua lühikesi ühendusi või ajasilmuseid lihtsas klassikalise/kvantfüüsika kombinatsioonis.
7. Kokkuvõte
Ussiaugud ja aegreisid on mõned äärmuslikumad (kuni praeguseni kinnitamata) Einsteini võrrandite tagajärjed. Kuigi mõned üldrelatiivsusteooria lahendid näitavad „sildu“ erinevate ruum-aja piirkondade vahel, näitavad kõik praktilised katsed vajadust eksootilise aine järele negatiivse energiaga, vastasel juhul laguneb selline „koridor“. Ükski vaatlus ei tõesta reaalsete, stabiilsete ussiaukude olemasolu ning katsed neid kasutada aegreisideks satuvad paradokside ja tõenäolise kosmilise tsensuuri ette.
Kuid see teema jääb rikkalikuks mõtlemisruumiks teooriates, ühendades gravitatsioonigeomeetria kvantvälja kirjeldustega ning lõputu uudishimuga kaugete tsivilisatsioonide või tulevaste tehnoloogiate läbimurrete suhtes. Isegi võimalus, et eksisteerivad kosmilised lühiteed või tagasireis ajas, näitab uskumatut üldrelatiivsusteooria lahenduste ulatust, ergutades teaduslikku kujutlusvõimet. Seni, ilma eksperimentaalsete või vaatluslike kinnitusteta, jäävad ussiaugud vaid uurimata teoreetilise füüsika valdkonnaks.
Viited ja edasine lugemine
- 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.