Kirbud ja ajarännakud

Teadmiste kaar · Universum · 09. peatükk / 06. artikkel

Aga mis siis, kui ruumis oleks lühem tee?

Ussiaugud võimaldavad füüsikutel küsida, kuidas aegruum võiks ühendada kaugeid kohti ja kas sellised ühendused võiksid tekitada ajasilmuseid. Matemaatiline kirjeldus on põhjalik. Kas sellist geomeetriat saab muuta tõeliseks läbitavaks objektiks, on endiselt lahendamata küsimus.

Hüpoteetilised geomeetriadKvantpiirangudPõhjuslikkus ja aeg

Hüpoteetilise aegruumiühenduse kontseptuaalne kujutis.

GeomeetriaKas pakutud aegruumis on tee, mida rändur saaks tegelikult läbida?

AineKas füüsikaliselt võimalikud väljad suudaksid anda vajaliku energia ja pinged?

PõhjuslikkusKas kogu süsteem võimaldaks sündmusel mõjutada iseenda minevikku?

Ussiaugud ja ajas rändamine

Lahend on küsimuse algus.

Kujutage ette, et jõuate kauge sihtpunktini mööda lühemat teed läbi aegruumi. Ussiauk on üks võimalus seda ideed matemaatiliselt uurida.

Geomeetria kirja panemisest selle looduses leidmiseni tuleb läbida mitu kontrolli: mis seda koos hoiab, kuidas see tekib, kas see peab häiretele vastu ja millised vaatlused selle paljastaksid. See artikkel vaatleb neid kontrollküsimusi, eristades selgelt mõõdetud aja dilatatsiooni ja hüpoteetilist ajas rändamist minevikku.

Tee muutmine võib reisi muuta

Mis on ussiauk?

Hüpoteetiline ussiauk on aegruumi geomeetria, mis ühendab piirkondi täiendava tee kaudu. Selle sissepääse nimetatakse tavaliselt suudmeteks; kitsast ühenduspiirkonda aga kaelaks. Sõltuvalt mudelist võivad suudmed viia sama universumi eri piirkondadesse või eraldiseisvatesse välispiirkondadesse.[1]

Diagramm eeldab läbipääsetavat ühendust. Lühem tee võiks vähendada reisiaega, kui rändur liigub kohalikult valgusest aeglasemalt. Tegelikud kaugused ja reisiaeg sõltuksid aegruumi geomeetriast.[1]

Murtud paberilehtede kujutised aitavad ette kujutada lühemat teed, kuid nende joonise lisamõõde on visualiseerimisvahend. Füüsikaline küsimus puudutab kaugusi ja põhjuslikke teid aegruumis endas. Ussiauk ei pruugi olla toru, mis paindub läbi ümbritseva ruumi, kuhu saaksime ka muul viisil sattuda.[2]

Matemaatiline sild võib siiski olla mitteläbitav

Milliseid ussiauke saaks reisija läbida?

Einsteini-Roseni sild

Juba 1935. aastalesitlesid Einstein ja Rosen silla konstruktsiooni, uurides osakeste kirjeldamist üldrelatiivsusteoorias. Nende eesmärk ei olnud tähtedevahelise transpordi kavandamine.[3]

Maksimaalselt laiendatud igavese Schwarzschildi geomeetria sild ühendab matemaatiliselt kaht välist piirkonda. Kuid ei massiivne reisija ega footon saa ühest välispiirkonnast teise liikuda. Selle mitteläbitavus tuleneb põhjuslikust struktuurist, isegi kui keegi ei ürita sinna siseneda.[4]

Morris-Thorne’i küsimus

Morris ja Thorne küsisid hoopis, millist geomeetriat oleks inimesel vaja läbida. Nende tuntud staatilistes sfäärilistes mudelites peab kurk jääma avatuks, teel ei tohi olla sündmushorisonti ning loodejõud ja reisi kestus peavad olema reisijale sobivad.[5]

Selliste omadustega geomeetria kirjeldamine jätab alles järgmise ülesande: leida seda toetav aine ja väljad. Staatiline lahend ei tõesta ka iseenesest, et süsteem saaks tekkida või jääks häirituse järel stabiilseks.[5]

Kõige keerulisem osa on vajalik energia-impulsitensor

Miks tuleb arutelus esile negatiivne energia?

Einsteini võrrandid seovad aegruumi kõveruse energia, impulsi, rõhu ja muude pingetega. Einsteini gravitatsiooniteoorias nõuab standardse Morris-Thorne’i kurgu avanemine nullenergia tingimuse rikkumist kurgu lähedal.[5]

Nullenergia tingimuse lühivorm

T_μνk^μk^ν ≥ 0

See peab kehtima iga nullnormiga vektori k korral, mis tähistab valguslaadset suunda. Nõrk energiatingimus nõuab selle asemel, et energiatihedus oleks iga ajasuunalise vaatleja jaoks mittenegatiivne. Need on omavahel seotud energia- ja impulssitingimused, mitte vahetatavad määratlused.[6]

Ainuüksi negatiivsest rõhust ei piisa. Ideaalse vedeliku korral on nullenergia tingimus ρ + p ≥ 0, kus ρ tähistab energiatihedust. Kosmoloogilise konstandi korral p = −ρ ja see tingimus kehtib võrdusena. Ussiaugu pinged sõltuvad tavaliselt suunast, mistõttu on oluline radiaalrõhk.[6]

Mida kvantfüüsika lubab – ja piirab

Kvantväljade kohalik renormaliseeritud energiatihedus võib sobiva võrdlusoleku suhtes olla negatiivne. See ei tähenda, et oleks võimalik piiramatult negatiivse energiaga ainet vabalt koguda. Kvantenergia võrratused seavad sobivatele keskmistele piirid; täpsed piirid sõltuvad väljast ja füüsilistest tingimustest.[7]

Casimiri jõud lähestikku asuvate pindade vahel on mõõdetud. See vaatlus kontrollib piiritingimustest sõltuvaid kvantväljateooria efekte; see ei näita, et leidub ainet, mis suudaks ussiaugu avatuna hoida.[8]

Tavaline antiaine ei paku samuti sellele nõudele otsemat lahendust: antiosakesed on positiivse energia ergastused, nagu tavalisedki osakesed. Vastupidine elektrilaeng ei tähenda negatiivset energiat.[9]

Ford ja Roman rakendasid kvantpiiranguid staatilistele sfäärilistele ussiaukudele ning leidsid nende kaeladele ja negatiivse energia piirkondade suurusele ranged piirangud. Nende analüüs seab konkreetsest poolklassikalisest eeldustest lähtuvad ranged piirid, kuid see ei ole teoreem, mis välistaks kõik võimalikud ussiaukude mudelid.[10]

Aeglasemalt tiksuv kell ja silmus minevikku on erinevad nähtused

Mida tähendab füüsikas „ajas rändamine“?

Jõudmine teiste inimeste tulevikku

Kahel kellal, mis liiguvad aegruumis mööda erinevaid trajektoore, võib kuluda erinev hulk omaaega. Rändur võib tagasi jõuda vähem vananenuna kui need, kes maha jäid. Kellade näitude erinevused relatiivsusteooria järgi on katsetega kinnitatud, sealhulgas täpsete aatomkellade võrdluse abil.[11]

Selles mõttes jõuab rändur teiste inimeste elus hilisemasse etappi, kuigi tema enda jaoks kulub vähem aega. Mõlemad kellad tiksuvad oma trajektooridel ikka edasi; see protsess ei vii rändurit tagasi varasema sündmuse juurde.[11]

Tagasipöördumine oma mineviku sündmuse juurde

Niinimetatud suletud ajasarnane kõver ehk CTC on tulevikku suunatud ajasarnane trajektoor, mis sulgub aegruumis iseendasse. Kui tiirutate ümber planeedi, jõuate hilisemal ajal tagasi samasse kohta. CTC viib tagasi sama aegruumi sündmuse juurde, muutes seega põhjusliku silmuse võimalikuks.[12]

Mõnes matemaatilises lahendis esineb selliseid kõveraid. Gödel’ pöörleva universumi mudel on kuulus näide; selle omadused ei kirjelda meie vaadeldavat universumit. Võrranditele lahendi leidmine ei tõesta, et selline aegruum saab looduses realistlikes tingimustes tekkida.[13]

Esmalt oletame, et läbitav ussiauk on olemas, ja seejärel uurime tagajärgi

Kuidas saaksid kaks suuet tekitada ajalise silmuse?

Morrise, Thorne’i ja Yurtseveri mõtteeksperimendis võib suudmete suhtelise liikumise tõttu kummagi omaaeg kulgeda erinevalt, samal ajal kui neid ühendav ussiauk püsib. Kui suudmed sobivalt paigutada, võib nende kaudu kulgev teekond siduda sündmused, millele välised kellad omistavad erinevad ajad.[2]

Eeldatakse, et selles konstruktsioonis püsivad ussiauk ja seda ülal hoidvad väljad kogu protseduuri vältel. See on tingimuslik arutlus geomeetria üle, mitte kinnitatud insenertehniline meetod.[2]

Väljamõeldud näide, kus suudmete ajanihe on juba tekkinud. Kõik ajad on esitatud välises paigalseisvas taustsüsteemis kokkulepitud kellanäitude järgi; 0,1-aastast läbimise parandust ei nimetata ränduri omapäraseks ajaks. Et väline tagasitee kestaks ühe aasta, kujutlege suudmeid, mille vahe on 0,8 valgusaastat, ja teekonda kiirusega 0,8c, jättes kiirendusperioodid arvestamata.[14]

Nihe ületab läbimise paranduse ja välise tagasitee kestuse summa. Kui jõuda tagasi punkti B varem, jääb aega oodata ja silmus sulgeda.[14]

Ainuüksi aja nihe ei taga CTC-d. See peab olema piisavalt suur, võrreldes võimaliku tagasitee kestusega, et kogu teekond saaks sulguda silmuseks.[2]

Oluliseks saavad kooskõlalisus ja kvanttagasimõju

Kas loodus takistaks ajamasina loomist?

Paradoksid tõstatavad küsimuse, kas sündmuste ajalugu on kooskõlaline

Vanaisa paradoksis kujutatakse ette tegevust, mis tühistab tingimused, mis on vajalikud sama tegevuse toimumiseks. Klassikalistes suletud ajasarnaste kõverate (CTC) uurimustes võib aga küsida, kas sisemiselt kooskõlalised ajalood on võimalikud. Mõnes lihtsustatud mudelis leidub kooskõlalisi lahendeid, mõnikord rohkem kui üks. See ei tõesta, et ajamasinad eksisteerivad või et rändurid saaksid fikseeritud minevikku vabalt ümber kirjutada.[15]

Hawkingi kronoloogia kaitse hüpotees

Hawking esitas mõtte, et füüsikaseadused võivad takistada suletud ajasarnaste kõverate teket. Kronoloogiat rikkuva piirkonna kujunemise lähenedes võivad kvantväljad tugevalt reageerida ja tagasiside tõttu geomeetriat muuta. Need argumendid ajendavad kaaluma kronoloogia kaitset; see ei ole universaalne tõestus, mis välistaks igasuguse põhjusliku silmuse võimaluse.[16]

Kay, Radzikowski ja Wald tõestasid konkreetsema takistuse: nende uuritud horisontide ja kvantväljade klassis ei ole horisondi teatavates punktides enam täidetud kvantoleku standardne regulaarsustingimus. Neis punktides ei toimi enam renormaliseeritud energia-impulsitensori tavaline konstrueerimisviis. See ei tõesta, et energia oleks kõikjal lõpmatu, ega määra, millise tulemuse annaks täielik kvantgravitatsiooniteooria.[17]

Mida topoloogiline tsensuur välistab?

Eeldustel, mis hõlmavad asümptootilist tasasust, globaalset hüperboolsust ja keskmistatud nullenergia tingimust, piirab topoloogiline tsensuur võimalust jõuda põhjuslikke teid mööda mittetriviaalse topoloogiaga aegruumi piirkondadesse. Nende eelduste muutmine muudab ka seda, mida teoreem tõestab. Topoloogiline tsensuur erineb nii kronoloogia kaitsest kui ka kosmilisest tsensuurist - need käsitlevad teisi küsimusi.[18]

Kvantinformatsioon pakub uut viisi geomeetria uurimiseks

Miks tekivad ussiaugud kvantpõimituse uurimustes?

ER = EPR - hüpotees ühenduse kohta

Maldacena ja Susskind pakkusid välja seose Einsteini–Roseni sildade ja kvantpõimumise vahel. Teatud kvantpõimunud mustade aukude olekuid saab geomeetriliselt kirjeldada sildade abil. Laiem ER = EPR hüpotees tõstatab küsimuse, kui laialt see seos kehtib; see ei muuda iga põimunud paari kasutatavaks tunneliks.[19]

Läbitavus kontrollitud holograafilistes mudelites

Gao, Jafferis ja Wall näitasid, et konkreetse anti-de Sitteri mudeli piire sidudes saab tekitada negatiivse keskmistatud nullenergia ning muuta selle silla läbitavaks. See konstruktsioon eeldab selgelt määratletud vastastikmõju mõlema poole vahel ja säilitab põhjuslikkuse.[20]

Sellised mudelid on väärtuslikud, sest gravitatsiooni ja kvantinformatsiooni saab uurida teineteist täiendavate kirjelduste abil. Nende rajatingimused ja vastastikmõjud on osa füüsikast; iseenesest ei anna need võimalust avada otseteed meie universumi kaugete paikade vahel.[20]

Mida kvantprotsessori eksperimendis tehti

Teadlased 2022. aastal rakendasid lihtsustatud kvantmudelit, kasutades üheksast kubitist koosnevat ahelat, ning uurisid teleportatsiooni dünaamikat, mida nad tõlgendasid gravitatsioonilise kirjelduse abil. Eksperimendis uuriti kvantdünaamika ja ussiaukude füüsika väidetavat seost.[21]

Caltech selgitas selgelt, et eksperimendi käigus ei loodud tõelist aegruumi ussiauku. Tegemist oli kontrollitud kvantsüsteemiga, mitte portaaliga, mille kaudu saaks objekt liikuda.[22]

Hilisemate uuringute autorid kahtlesid, kui kindlalt toetab lihtsustatud mudel gravitatsioonilist tõlgendust; esialgne meeskond kaitses eksperimendi ulatust. See arutelu puudutab mudeli tõlgendamist, mitte laboris täheldatud avanenud tunnelit.[23], [24]

Ennustatud tunnuseid tuleb eristada tegelikest avastustest

Kuidas võiksid astronoomid ussiauku otsida?

Teadlased arvutavad, kuidas hüpoteetilised geomeetriad moonutaksid valguse levikuteed või mõjutaksid lähedalasuva aine kiirgust. Mõnes mudelis võib kujutis olla musta augu kujutisega väga sarnane, kui allikas ja vaatleja asuvad samal poolel. Teiselt poolt läbi kaela saabuv valgus võib moodustada teistsuguseid valgusmustreid.[25]

Need on mudelite ennustused. Sisuka kontrolli jaoks tuleb määratleda geomeetria, valgusallikas ja vaatlustingimused. Ainuüksi ebatavalisest heledast ringist ei piisaks ussiaugu tuvastamiseks.[25]

Gravitatsioonilained pakuvad teistsugust otsinguvõimalust. Mõned horisondita kompaktsete objektide mudelid võivad jäljendada musta augu algset helisemise etappi, kuid hiljem sellest erineda. Kui väidetakse, et erinevus on tuvastatud, tuleks seda hoolikalt võrrelda tavapäraste astrofüüsikaliste selgituste, detektori tekitatud efektide ja iga mudeli põhieeldustega.[26]

Ükski kinnitatud vaatlus pole tuvastanud läbitava aegruumi kirmgrauža olemasolu. Võimaliku kindla geomeetria signaali uurimine või sellega seotud võrrandite rakendamine protsessoril on teistsugune saavutus kui objekti enda avastamine looduses.[22]

See küsimus ulatub tähtedevahelisest reisimisest kaugemale.

Mis muudaks mudeli füüsikaliseks ettepanekuks?

Usutav ettepanek peab siduma mitu asja: aegruumi geomeetria, kooskõlalise energia-impulsi allika, viisi, kuidas selline konfiguratsioon võiks tekkida, ja kirjelduse selle kohta, kuidas see häiringutele reageerib. Täiendava väljaliigi lisamine või gravitatsiooniteooria muutmine muudab ülesannet ennast ning toob kaasa uusi kontrollitavaid ennustusi.

Isegi läbitav matemaatiline lahend ei pruugi reisijale mugav olla. Olulised on loodejõud, kiirgus, kaela mõõtmed ja läbimiseks kuluv aeg. Need on eraldi küsimused sellest, kas selline tee üldse olemas on.[5]

Kirmgraužad on füüsikale endiselt kasulikud, sest sunnivad esitama täpseid küsimusi geomeetria, energia ja teabe kohta. Ajasilmuste mudelid teevad sama põhjuslikkuse vallas: need näitavad, millised eeldused võimaldavad sündmuste kulgu ennustada ja kus tavapärased kirjeldused enam usaldusväärsed pole.

Ulmekirjandus võib võtta stabiilsed väravad lähte-eeldusena. Füüsika küsib, mis sellist eeldust põhjendaks ja millised tõendid võimaldaksid meil sellise objekti Universumis ära tunda.

Allikad ja lisalugemine

Relatiivsusteooria ja kvantväljade algupärased uurimused, laboriuuringute aruanded ning mudelipõhised vaatluslikud uurimused. Allikad kontrollitud 2026. aasta septembris; kõik kirmgraužade illustratsioonid on hüpoteetilised.

Max Plancki gravitatsioonifüüsika instituut — KirmgraužaTutvustatakse hüpoteetilisi avasid, lühemaid teid ja ajanihkeid, eristades mudeleid kinnitatud füüsikalistest objektidest.
Morris, Thorne ir Yurtsever (1988) — Kirmgraužad, ajamasinad ja nõrk energiatingimusSelles tingimuslikus konstruktsioonis muutub avade erinev vananemine ajanihkeks läbi väidetavalt läbitava kirmgrauža.
Einstein ir Rosen (1935) — Dalelių problema bendrojoje reliatyvumo teorijojePradinis tiltas buvo pasiūlytas kaip geometrinis dalelių modelis, kuriame išvengiama lauko singuliarumų.
Collas ir Klein (2011 m. preprintas) — Schwarzschildo kirmgraužos įterpimai ir raida laikeMaksimaliai pratęstu Schwarzschildo tiltu iš vienos jo išorinės srities į kitą negali pereiti net šviesa.
Morris ir Thorne (1988) — Kirmgraužos erdvėlaikyje ir jų naudojimas tarpžvaigždinėms kelionėmsStatinei pereinamai geometrijai būtinas nesinguliarus kaklelis, horizonto nebuvimas ir priimtinos perėjimo sąlygos.
Kontou ir Sanders (2020) — Energijos sąlygos bendrojoje reliatyvumo teorijoje ir kvantinėje lauko teorijojeApibrėžiamos nulinė ir silpnoji energijos sąlygos bei jų išraiškos idealiajam fluidui, įskaitant slėgio vaidmenį.
Fewster (2012) — Paskaitos apie kvantines energijos nelygybesAiškinama kvantinė neigiama energija, atskaitos būsenos indėlio atėmimas ir tinkamai suvidurkintų energijos tankių ribos.
Lamoreaux (1997) — Kazimiro jėgos demonstravimas 0,6–6 mikrometrų intervaleAprašomas Kazimiro jėgos tarp arti vienas kito esančių laidžių paviršių matavimas sukimo svyruokle.
David Tong — Kvantinė lauko teorija, 5 skyrius: Dirako lauko kvantavimasParodoma, kad kvantuotame Dirako lauke dalelės ir antidalelės yra teigiamos energijos sužadinimai virš vakuuminės būsenos.
Ford ir Roman (1996) — Kvantinė lauko teorija riboja pereinamų kirmgraužų geometrijasKvantinės energijos nelygybės taikomos statinėms sferinėms kirmgraužoms ir nustatomi griežti jų ilgio mastelių apribojimai.
Chou ir kt. (2010) — Optiniai laikrodžiai ir reliatyvumasOptiniais laikrodžiais išmatuoti nevienodi praėjusio laiko intervalai, numatyti remiantis judėjimo ir gravitacinio potencialo skirtumais.
Francisco S. N. Lobo (2010) — Suletud ajasarnased kõverad ja põhjuslikkuse rikkumineSuletud ajasarnane kõver naaseb aegruumi algsündmusse, jäädes kohalikult tulevikku suunatuks.
Ellis (2000) — Toimetaja märkus Gödelit kosmoloogiliste lahendite kohtaGödel pöörlevas, mittelaienevas kosmoloogilises mudelis leidub suletud ajasarnaseid kõveraid, kuid see ei kirjelda vaadeldavat paisuvat Universumit.
Kip S. Thorne (1992) — Suletud ajasarnased kõveradUssiaugu avade kokkulangemisel võivad tingimuslikus aegruumi konstruktsioonis tekkida suletud põhjuslikud rajad.
Friedman jt (1990) — Cauchy ülesanne aegruumides suletud ajasarnaste kõverategaEnesekooskõla nõuab, et kohalikud sündmused sobiksid globaalse lahendiga; see ei kinnita hargnevaid ajajooni.
Hawking (1992) — Kronoloogia kaitse hüpoteesKvantset tagasimõju pakutakse takistusena suletud ajasarnaste kõverate loomisele.
Kay, Radzikowski ja Wald (1997) — Kvantväljateooria aegruumides kompaktselt genereeritud Cauchy horisondigaTõestatakse, et kompaktselt genereeritud Cauchy horisondi baaspunktides ei kehti enam kvantväljade standardsed regulaarsustingimused.
Friedman, Schleich ja Witt (1993; parandatud eeltrükk 1995) — Topoloogiline tsensuurPiiratakse põhjuslikku ligipääsu mittetriviaalsele topoloogiale, eeldades asümptootilist tasasust, globaalset hüperboolsust ja keskmistatud nullenergia tingimust.
Maldacena ja Susskind (2013) — Seotud mustade aukude jahutavad horisondidPakutakse välja ER = EPR seos kvantpõimumise ja sillageomeetriate vahel.
Gao, Jafferis ja Wall (2017) — Läbitavad ussiaugud topeltjälje deformatsiooni abilPiiridevaheline vastastikmõju muudab läbipääsu võimalikuks kontrollitud anti-de Sitteri mudelis, rikkumata põhjuslikkust.
Jafferis jt (2022) — Läbitava ussiaugu dünaamika kvantprotsessorisÜheksa kubiti katses rakendatakse lihtsustatud kvantmudelit ning selle teleportatsioonidünaamikat tõlgendatakse holograafia abil.
Caltech (2022) — Füüsikud jälgisid kvantarvuti abil ussiaugu dünaamikatEksperimendi korraldanud asutus selgitab selgelt, et tegelikku aegruumi ussiauku ei loodud.
Kobrin, Schuster ja Yao (2023) — Kommentaar kvantprotsessoris läbitava ussiaugu dünaamika kohtaTekib küsimus, kas lihtsustatud mudel näitab üheselt väidetud gravitatsioonidünaamikat.
Jafferis jt (2023) — Vastus kommentaarile ussiaugu dünaamika kohtaEksperimendi autorid kaitsevad oma tõlgendust ja täpsustavad mudeli rakenduspiire.
Chen jt (2024) — Läbitavate ussiaukude vaadeldavad tunnusedSaadud mudelipildid võivad sarnaneda mustade aukude piltidega või neist erineda, kui valgus jõuab vaatlejateni ussiaugu kaela kaudu.
Cardoso, Franzin ja Pani (2016) — Kas gravitatsioonilainete võnkumiste vaibumine võimaldab uurida sündmuste horisonti?Sündmuste horisondita kompaktsete objektide mudelid võivad jäljendada musta augu võnkumiste varast vaibumist, mistõttu tuleb hilisemat käitumist hoolikalt kontrollida.

Avasta edasi · 09. peatükk

Ruumi ja aja olemus

Grįžti į tinklaraštį