Hipotētiskie Einšteina vienādojumu risinājumi un to ekstrēmās (lai gan neapstiprinātās) nozīmes
Teorētiskais konteksts
Balstoties uz vispārējo relativitāti, masas-enerģijas sadalījums var liekt telplaiku. Lai gan standarta astrofizikas objekti – melnie caurumi vai neitronzvaigznes – rāda spēcīgas, bet „parastas“ izliekuma formas, daži matemātiski derīgi risinājumi paredz daudz eksotiskākas struktūras: tārpu caurumus, bieži sauktus par „Einšteina–Rozena tiltiem“. Teorētiski tārpu caurums varētu savienot divas attālas telplaika daļas, ļaujot no viena „cauruma“ uz otru nokļūt ātrāk nekā parastu maršrutu. Ekstrēmi gadījumi varbūt pat saista dažādas visuma daļas vai ļauj slēgtas laika līdzīgas līknes – radot iespējas ceļojumiem laikā.
Tomēr plaisa starp teoriju un realitāti šeit ir liela. Tārpu caurumu risinājumos parasti nepieciešama eksotiska matērija ar negatīvu enerģijas blīvumu, lai tie būtu stabilizēti, un nekādi tieši eksperimentāli vai novērojumu dati līdz šim neapstiprina to esamību. Neskatoties uz to, tārpu caurumi paliek auglīga teorētiskā joma, kas apvieno relativistisko ģeometriju ar kvantu lauku īpašībām un raisa dziļas filozofiskas diskusijas par cēloņsakarību.
2. Tārpu caurumu pamati: Einšteina–Rozena tilti
2.1 Švarcšilda (Einšteina–Rozena) tārpu caurumi
1935. gadā Alberts Einšteins un Natans Rozens apsvēra „tiltu“, kas iegūts, paplašinot Švarcšilda melnā cauruma risinājumu. Šis Einšteina–Rozena tilts matemātiski savieno divas atsevišķas asimptotiski vienādas telplaika daļas („ārējās pasaules“) caur melnā cauruma iekšieni. Tomēr:
- Šāds tilts ir nepārejošs – tas „aizveras“ ātrāk, nekā kāds spētu to šķērsot, sabrūkot, ja kāds mēģina iekļūt.
- Tas atbilst melnā cauruma un baltā cauruma pārim maksimāli paplašinātā telplaikā, taču „baltā cauruma“ risinājums ir nestabils un dabā neīstenojams.
Tātad vienkāršākie klasiskā melnā cauruma risinājumi neļauj pastāvīgu, pārejošu tārpu cauruma koridoru [1].
2.2 Morisa–Torna tipa pārejošie tārpu caurumi
Vēlāk (ap 1980. gadu) Kips Torns (Kip Thorne) ar kolēģiem sistemātiski pētīja „pārejošos“ (traversable) tārpu caurumus – risinājumus, kas var ilgāk palikt atvērti materiāla pārejai. Izrādījās, ka, lai uzturētu „rīkli“ atvērtu, bieži nepieciešama „eksotiska matērija“ ar negatīvu enerģiju vai dīvainām īpašībām, kas pārkāpj parastās enerģijas nosacījumus (piemēram, nulles enerģijas nosacījumu). Līdz šim nav zināms, ka reāls makroskopisks lauks būtu ar šādām īpašībām, lai gan daži kvantu efekti (Kazimira efekts) nodrošina nelielu negatīvu enerģiju. Vai tas pietiek, lai pastāvētu makroskopisks tārpu caurums, joprojām nav skaidrs [2,3].
2.3 Topoloģiskā struktūra
Tārpu caurumu var uztvert kā „rokturi“ telplaika daudzveidībā. Tā vietā, lai pārvietotos parastu 3D ceļu no A uz B, ceļotājs varētu iekļūt „caurumā“ pie A, šķērsot „rīkli“ un iznākt punktā B, iespējams, pavisam citā reģionā vai citā visumā. Šāda ģeometrija ir ļoti sarežģīta un prasa precīzi saskaņotus laukus. Bez eksotiskiem laukiem tārpu caurums sabrūk melnā caurumā, neļaujot pārvietoties no vienas puses uz otru.
3. Ceļojumi laikā un slēgtas laika līdzīgas līknes
3.1 Ceļojumu laikā jēdziens BR teorijās
Vispārējās relativitātes gadījumā „slēgtas laika līdzīgas līknes (CTC)“ ir telplaika cilpas, kas atgriežas pie agrākā laika brīža – teorētiski ļaujot satikt sevi pagātnē. Risinājumi kā Gēdela griezošais Visums vai dažas Kerra melno caurumu griešanās vērtības rāda, ka šādas līknes matemātiski ir iespējamas. Ja tārpu caurumu „caurumu“ kustību pareizi saskaņo, viens „caurums“ var nokļūt agrāk nekā otrs (relatīvistisko laika izstiepumu dēļ), un tā veidojas laika cilpas [4].
3.2 Paradoksi un cēloņsakarības aizsardzība
Ceļojumi laikā rada paradoksus – piemēram, „vectēva paradoksu“. Stefens Hokings apsvēra „cēloņsakarības aizsardzības hipotēzi“, kas uzskata, ka fizikas likumi (kvantu atpakaļsaites vai citi efekti) neļauj makroskopiskām laika cilpām pastāvēt. Lielākā daļa aprēķinu rāda, ka mēģinot izveidot laika mašīnu, palielinās vakuuma polarizācija vai rodas nestabilitātes, kas sabojā struktūru vēl pirms tā darbojas.
3.3 Eksperimentālās iespējas?
Nav zināmu astrofizikas procesu, kas radītu stabilus tārpu caurumus vai laika ceļojumu vārtus. Tam būtu nepieciešamas ļoti lielas enerģijas vai eksotiska matērija, kādas mums nav. Teorētiski BR ne pilnībā aizliedz lokālas CTC, bet kvantu gravitācijas efekti vai kosmiskā cenzūra, visticamāk, tos aizliegtu pasaules mērogā. Tāpēc ceļojumi laikā pagaidām ir tikai spekulācijas bez reāliem novērojumu apstiprinājumiem.
4. Negatīvā enerģija un „eksotiskā matērija“
4.1 Enerģijas nosacījumi BR
Klasiskajā lauku teorijā parasti spēkā ir enerģijas nosacījumi (piemēram, vājais vai nulles enerģijas nosacījums), kas nosaka, ka lokāli enerģija nevar būt negatīva. Tārpu caurumu eksistence, kas ļauj tos šķērsot, parasti prasa šo nosacījumu pārkāpumus, t.i., negatīvu enerģijas blīvumu. Šis fenomens makroskopiskā līmenī nav zināms. Kvantu līmenī (piemēram, Kazimira efekts) ir neliela negatīva enerģija, bet, visticamāk, tā nepietiktu stabilu, lielu tārpu tuneļu uzturēšanai.
4.2 Kvantu lauki un Hokinga vidējie lielumi
Dažas teorijas (Forda–Romana ierobežojumi) mēģina saprast, cik liels vai ilgstošs var būt negatīvs blīvums. Lai gan nelielas negatīvas enerģijas vērtības kvantu mērogā ir reālas, makroskopisku tārpu caurumu uzturēšanai varētu būt nepieciešami milzīgi eksotiski resursi, kas pašreizējai fizikai nav pieejami. Daži citi eksotiski scenāriji (piemēram, tahioni, „zvanu piedziņas“ idejas) arī palikuši nepierādīti minējumi.
5. Novērojumi un turpmākas teorētiskās izpētes
5.1 Iespējamās gravitācijas „tārpu caurumu“ pazīmes
Ja pastāvētu kāds „pārejošs“ tārpu caurums, tas radītu neparastu lēcienu vai citas dinamiskas anomālijas. Dažkārt tiek minēts, ka daži galaktiskā lēciena neatbilstības varētu liecināt par tārpu caurumu, bet apstiprinājumu nav. Ilgstoša „paraksta“ atrašana, kas pierādītu tārpu cauruma eksistenci, būtu ļoti grūta, īpaši, ja mēģinājums šķērsot izrādītos bīstams vai caurums nav pietiekami stabils.
5.2 Mākslīga radīšana?
Teorētiski ļoti attīstīta civilizācija varētu mēģināt „uzpūst“ vai stabilizēt kvantu tārpu caurumu ar eksotisku matēriju. Taču pašreizējā fizika rāda prasības, kas ievērojami pārsniedz pieejamos resursus. Pat kosmiskie stīgu veidojumi vai topoloģiskās defektu sienas, visticamāk, nepietiek, lai atvērtu masīvu tārpu kanālu.
5.3 Turpinātas teorētiskās izpētes
Stīgu teorija un daudzdimensiju modeļi dažkārt dod tārpu caurumiem radniecīgus risinājumus vai brāņu pasaules interpretācijas. AdS/CFT atspulgi (hologrāfiskais princips) apsver, kā melno caurumu iekšiene vai „tārpu caurumu“ saistība var izpausties caur kvantu kanālu savienojumu. Daži zinātnieki (piemēram, „ER = EPR“ Maldakenas/Saskinda hipotēze) diskutē par sapīšanās un telplaika sasaisti. Tomēr līdz šim tie ir konceptuāli modeļi bez eksperimentāla apstiprinājuma [5].
6. Tārpu caurumi popkultūrā un ietekme uz iztēli
6.1 Zinātniskā fantastika
Tārpu caurumi ir populāri zinātniskajā fantastikā kā „zvaigžņu vārti“ vai „lēkšanas punkti“, kas nodrošina gandrīz momentānu ceļojumu starp zvaigznēm. Filmā „Interstellar“ attēlots tārpu caurums kā sfērisks „caurums“, vizuāli balstoties uz Morisa–Torna risinājumiem. Lai gan iespaidīgi kinofilmā, reālā fizika pagaidām nepamato stabilus, pārejošus tārpu tunelus.
6.2 Sabiedrības ziņkārība un izglītība
Ceļojumu laikā stāsti rosina sabiedrības interesi par paradoksiem (piemēram, „vectēva paradoksu“ vai „slēgtām laika cilpām“). Lai gan viss joprojām ir spekulācijas, tas veicina plašāku interesi par relativitāti un kvantu fiziku. Zinātnieki to izmanto, lai izskaidrotu gravitācijas ģeometrijas realitāti, milzīgās enerģijas vajadzības un to, kā daba, visticamāk, neļauj viegli radīt īsas saites vai laika cilpas vienkāršā klasiskās/kvantu fizikas kombinācijā.
7. Secinājums
Tārpu caurumi un ceļojumi laikā ir vieni no ekstrēmākajiem (līdz šim neapstiprinātajiem) Einšteina vienādojumu sekām. Lai gan daži vispārējās relativitātes risinājumi rādītu „tiltus“ starp dažādām telplaika zonām, visi praktiskie mēģinājumi rāda nepieciešamību pēc eksotiskas matērijas ar negatīvu enerģiju, citādi šāds „koridors“ sabruks. Nekādi novērojumi neapliecina reālus, stabilus tārpu caurumu veidojumus, un mēģinājumi tos izmantot ceļojumiem laikā saskaras ar paradoksiem un iespējamu kosmisko cenzūru.
Tomēr šī tēma paliek bagāta domāšanas joma teorijās, apvienojot gravitācijas ģeometriju ar kvantu lauku aprakstu un bezgalīgu ziņkāri par tālu civilizāciju vai nākotnes tehnoloģiju sasniegumiem. Vien pati iespēja – ka pastāv kosmiskie ceļu īsinājumi vai atpakaļceļš laikā – parāda neticamo vispārējās relativitātes risinājumu plašumu, kas veicina zinātnisko iztēli. Līdz šim, bez eksperimentāliem vai novērojumu apstiprinājumiem, tārpu caurumi paliek tikai neizpētīta teorētiskās fizikas joma.
Atsauces un turpmāka lasīšana
- 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.