Răpitoare și călătorii în timp

Hipotētiska tārpeja ir telplaika ģeometrija, kas savieno reģionus pa papildu ceļu. Tās ieejas parasti dēvē par mutēm; šauro savienojošo reģionu – par kaklu. Atkarībā no modeļa mutes var vest uz dažādiem viena Visuma reģioniem vai atsevišķiem ārējiem reģioniem.[1]

Angl. paslankytas popierius palīdz iztēloties īsāku ceļu, taču papildu dimensija tā zīmējumā ir vizualizācijas līdzeklis. Fiziskais jautājums ir saistīts ar attālumiem un cēloņsakarību ceļiem pašā telplaikā. Tārpeja nebūt nav caurule, kas izliecas cauri apkārtējai telpai, kurā varētu nokļūt arī citādi.[2]

Puntea Einstein–Rosen

Încă din 1935, Einstein și Rosen au prezentat o construcție de tip punte, studiind descrierea particulelor în teoria relativității generale. Scopul lor nu era să proiecteze un mijloc de transport interstelar.[3]

O punte din geometria Schwarzschild eternă, extinsă la maximum, leagă matematic două regiuni exterioare. Totuși, niciun călător masiv și niciun foton nu pot trece dintr-o regiune exterioară în cealaltă. Imposibilitatea traversării sale decurge din structura cauzală, chiar și fără ca cineva să încerce să intre în ea.[4]

Întrebarea lui Morris–Thorne

În schimb, Morris și Thorne s-au întrebat ce geometrie ar fi necesară pentru ca o persoană să o poată traversa. În bine-cunoscutele lor modele statice, sferice, gâtul trebuie să rămână deschis, traseul nu trebuie să aibă un orizont al evenimentelor, iar forțele mareice și durata călătoriei trebuie să fie suportabile pentru călător.[5]

După ce este formulată geometria cu astfel de proprietăți, rămâne o altă sarcină: determinarea materiei și a câmpurilor care o susțin. O soluție statică nu dovedește, de una singură, nici că sistemul s-ar putea forma, nici că ar rămâne stabil după o perturbație.[5]

Ecuațiile lui Einstein leagă curbura spațiu-timpului de energie, impuls, presiune și alte tensiuni. Pentru o gură de vierme Morris–Thorne standard, în gravitația einsteiniană, deschiderea geometriei necesită încălcarea condiției de energie nulă în apropierea gâtului.[5]

Doar presiunea negativă nu este suficientă. Pentru un fluid ideal, condiția de energie nulă este ρ + p ≥ 0, unde ρ este exprimată ca densitate de energie. Constanta cosmologică are p = −ρ și atinge egalitatea în această condiție. Tensiunile dintr-o gaură de vierme depind, de obicei, de direcție, așa că presiunea radială este importantă.[6]

Ce permite fizica cuantică - și ce limite impune

Câmpurile cuantice pot avea o densitate locală renormalizată a energiei negativă, definită în raport cu o stare de referință adecvată. Aceasta nu oferă un rezervor de materie din care să poată fi extrasă în mod liber energie negativă nelimitată. Inegalitățile cuantice ale energiei limitează mediile relevante; limitele exacte depind de câmp și de condițiile fizice.[7]

Forța Casimir dintre suprafețe apropiate a fost măsurată. Această observație testează efectele câmpului cuantic care depind de condițiile la limită; nu demonstrează existența unui material capabil să mențină deschisă o gaură de vierme.[8]

Antimateria obișnuită nu oferă nici ea o scurtătură pentru a îndeplini această cerință: antiparticulele sunt excitații cu energie pozitivă, la fel ca particulele obișnuite. Sarcina electrică opusă nu înseamnă energie negativă.[9]

Ford și Roman au aplicat constrângeri cuantice găurilor de vierme sferice statice și au stabilit limite stricte pentru dimensiunile gâturilor acestora și ale regiunilor cu energie negativă. Analiza lor stabilește limite stricte valabile în anumite ipoteze semiclasice, dar nu este o teoremă care să excludă toate modelele posibile de găuri de vierme.[10]

Ajungerea în viitorul celorlalți

Pentru două ceasuri care se deplasează pe traiectorii diferite prin spațiu-timp poate trece o durată proprie diferită. Călătorul se poate întoarce mai puțin îmbătrânit decât cei care au rămas. Diferențele relativiste dintre indicațiile ceasurilor sunt confirmate experimental, inclusiv prin comparații cu ajutorul unor ceasuri atomice precise.[11]

În acest sens, călătorul ajunge într-o etapă ulterioară a vieții celorlalți, deși pentru el însuși trece mai puțin timp. Ambele ceasuri continuă totuși să ticăie înainte de-a lungul traiectoriilor lor; acest proces nu îl readuce pe călător la un eveniment anterior.[11]

Revenirea la un eveniment din propriul trecut

Așa-numita curbă temporală închisă, sau CTC, este o traiectorie orientată spre viitor, de tip temporal, care se închide asupra ei înseși în spațiu-timp. Dacă ocoliți o planetă, reveniți în același loc la un moment ulterior. O CTC revine la același eveniment din spațiu-timp, făcând astfel posibilă o buclă cauzală.[12]

Unele soluții matematice conțin astfel de curbe. Modelul Universului rotativ al lui Gödel este un exemplu celebru; proprietățile sale nu descriu Universul pe care îl observăm. Găsirea unei soluții a ecuațiilor nu dovedește că un astfel de spațiu-timp se poate forma în natură, în condiții realiste.[13]

În experimentul mintal al lui Morris, Thorne și Yurtsever, din cauza mișcării relative, prin cele două guri poate trece un timp propriu diferit, în timp ce gaura de vierme care le unește continuă să existe. Dacă gurile sunt poziționate corespunzător, călătoria prin ele poate lega evenimente cărora ceasurile exterioare le atribuie momente diferite.[2]

Se presupune că, în această configurație, gaura de vierme și câmpurile care o susțin rezistă pe toată durata procedurii. Este un argument condițional despre geometrie, nu o metodă inginerească confirmată.[2]

Deplasarea depășește suma dintre corecția pentru traversare și durata călătoriei pe traseul exterior. Dacă te întorci în B mai devreme, rămâne timp să aștepți și să închizi bucla.[14]

Doar deplasarea în timp nu garantează o CTC. Ea trebuie să fie suficient de mare în raport cu durata posibilului traseu de întoarcere, astfel încât întreaga călătorie să se poată închide într-o buclă.[2]

Paradoxurile ridică întrebarea dacă istoria evenimentelor este coerentă

Paradoxul bunicului imaginează o acțiune care anulează condițiile necesare pentru ca aceeași acțiune să aibă loc. Totuși, în studiile clasice despre curbele temporale închise (CTC), se poate pune întrebarea dacă există istorii intern coerente. Unele modele simplificate au soluții coerente, uneori mai multe. Acest lucru nu demonstrează că mașinile timpului există sau călătorii în timp pot rescrie liber trecutul consemnat.[15]

Ipoteza lui Hawking privind protecția cronologiei

Hawking a avansat ideea că legile fizicii ar putea împiedica formarea curbelor temporale închise. Pe măsură ce se apropie formarea unei regiuni care încalcă cronologia, câmpurile cuantice ar putea reacționa puternic și modifica geometria prin reacție inversă. Aceste argumente îndeamnă la luarea în considerare a protecției cronologiei; ele nu constituie o dovadă universală care să excludă orice posibilitate a unei bucle cauzale.[16]

Kay, Radzikowski și Wald au demonstrat un obstacol mai concret: pentru clasa de orizonturi și câmpuri cuantice pe care au studiat-o, într-unii puncte ale orizontului nu mai este îndeplinită condiția standard de regularitate a stării cuantice. În acele puncte, metoda obișnuită de construire a tensorului renormalizat energie-impuls nu mai funcționează. Aceasta nu demonstrează că energia este infinită peste tot și nici nu stabilește ce rezultat ar oferi o teorie completă a gravitației cuantice.[17]

ER = EPR – o ipoteză despre corelație

Maldacena și Susskind au propus o legătură între punțile Einstein–Rosen și întrepătrunderea cuantică. Anumite stări ale găurilor negre cu întrepătrundere cuantică pot fi descrise geometric prin punți. Ipoteza mai largă ER = EPR ridică întrebarea cât de generală este această legătură; ea nu transformă fiecare pereche cuantică întrepătrunsă într-un tunel utilizabil.[19]

Traversabilitatea în modelele holografice controlate

Gao, Jafferis și Wall au arătat că, prin cuplarea marginilor unui anumit model anti-de Sitter, se poate obține o energie nulă medie negativă și se poate face traversabilă puntea acestuia. Această construcție presupune o interacțiune bine definită între cele două părți și păstrează cauzalitatea.[20]

Astfel de modele sunt valoroase deoarece gravitația și informația cuantică pot fi studiate cu ajutorul unor descrieri complementare. Condițiile lor la limită și interacțiunile fac parte din fizică; ele nu oferă, prin ele însele, o modalitate de a deschide o scurtătură între locuri îndepărtate din universul nostru.[20]

Ce s-a realizat în experimentul cu procesorul cuantic

În 2022, cercetătorii au implementat un model cuantic simplificat, folosind un circuit cu nouă qubiți, și au studiat dinamica teleportării, pe care au interpretat-o printr-o descriere gravitațională. Experimentul a investigat legătura propusă între dinamica cuantică și fizica găurilor de vierme.[21]

„Caltech” a explicat clar că în timpul experimentului nu a fost creată o gaură de vierme reală în spațiu-timp. A fost un sistem cuantic controlat, nu un portal prin care ar putea călători un obiect.[22]

Autorii unor studii ulterioare au pus sub semnul întrebării cât de solid susține modelul simplificat interpretarea gravitațională; echipa inițială a apărat domeniul de aplicare al experimentului. Discuția privește interpretarea modelului, nu un tunel deschis observat în laborator.[23], [24]

Cercetătorii calculează cum ar distorsiona geometriile ipotetice traseul luminii sau cum ar afecta radiația materiei din apropiere. În unele modele, imaginea poate semăna foarte mult cu cea a unei găuri negre atunci când sursa și observatorul se află de aceeași parte. Lumina care sosește din cealaltă parte prin gât poate crea tipare luminoase diferite.[25]

Acestea sunt predicții ale modelelor. Pentru ca verificarea să aibă sens, trebuie precizate geometria, sursa de lumină și condițiile de observare. Un inel luminos neobișnuit, de unul singur, nu ar fi suficient pentru a identifica o gaură de vierme.[25]

Undele gravitaționale oferă o altă cale de căutare. Unele modele de obiecte compacte fără orizont pot imita etapa inițială a oscilațiilor amortizate ale unei găuri negre, dar ulterior se pot deosebi de aceasta. Dacă se afirmă că a fost detectată o diferență, aceasta trebuie comparată cu atenție cu explicațiile astrofizice obișnuite, efectele produse de detector și ipotezele fundamentale ale fiecărui model.[26]

Nicio observație confirmată nu a stabilit existența unei găuri de vierme traversabile în spațiu-timp. Investigarea unui posibil semnal al unei anumite geometrii sau implementarea ecuațiilor aferente pe un procesor reprezintă o realizare diferită de detectarea obiectului în natură.[22]

O propunere convingătoare trebuie să lege mai multe aspecte: geometria spațiu-timpului, o sursă de energie și impuls coerentă, un mecanism prin care s-ar putea forma o astfel de configurație și o descriere a modului în care reacționează la perturbații. Introducerea unui tip suplimentar de câmp sau modificarea teoriei gravitației schimbă problema însăși și dă naștere unor noi predicții care pot fi testate.

Chiar și o soluție matematică traversabilă nu ar fi neapărat comodă pentru călător. Contează forțele mareice, radiația, dimensiunile gâtului și timpul necesar traversării. Acestea sunt întrebări distincte de cea dacă un asemenea traseu există măcar.[5]

Găurile de vierme rămân utile fizicii, deoarece ne obligă să punem întrebări precise despre geometrie, energie și informație. Modelele buclelor temporale fac același lucru în privința cauzalității: arată ce ipoteze permit prezicerea succesiunii evenimentelor și unde descrierile obișnuite nu mai sunt de încredere.

Science fiction-ul poate lua porți stabile drept premisă de la bun început. Fizica întreabă ce ar susține o asemenea premisă și ce dovezi ne-ar permite să recunoaștem un astfel de obiect în Univers.

Natura spațiului și a timpului

1. Teoria relativității speciale: dilatarea timpului și contracția lungimii
2. Teoria relativității generale: gravitația ca spațiu-timp curbat
3. Mecanica cuantică: dualitatea undă-particulă
4. Teoria cuantică a câmpurilor și modelul standard
5. Găurile negre și orizonturile evenimentelor
6. Găurile de vierme și călătoria în timp · Sunteți aici
7. Materia întunecată: masa ascunsă
8. Energia întunecată: expansiunea accelerată
9. Undele gravitaționale
10. Spre o teorie unificată