Kako se rukovati sa sobom, tko je doletio iz budućnosti? Zašto se lav može iznenada materijalizirati u vašoj sobi? Kako doći do drugog Svemira, posjetiti vremenski stroj i što je "bijela rupa"? Sergej Krasnikov, viši istraživač u Laboratoriju za fiziku zvijezda iz glavnog (Pulkovo) opservatorija, govorio je o tome.
Sergej Vladilenovič, što je crvotočina?
- Ne postoji vrlo stroga definicija. Takve su definicije potrebne kada dokažete neke teoreme, ali stroge teoreme gotovo i nema, dakle uglavnom su ograničene na figurativne pojmove, slike. Zamislite da smo iz svoje trodimenzionalnog prostora izvadili kuglu u jednoj sobi i izvadili potpuno istu kuglu u drugoj sobi i zalijepili rezultirajuće granice tih rupa.
Dakle, kad uđemo u jednu sobu unutar ove bivše kugle, koja je postala rupa, izronit ćemo u drugoj sobi - iz rupe koja se formirala umjesto druge kuglice. Da naš prostor nije trodimenzionalan, već dvodimenzionalan, izgledao bi kao list papira na koji je zalijepljena olovka. Trodimenzionalni analog i njegov razvoj tijekom vremena naziva se crvotočina.
Kako se proučavaju crvotočine?
- Ovo je čisto teorijska aktivnost. Nitko nikada nije vidio crvotočine i, općenito, ne postoji sigurnost da uopće postoje. Počeli su proučavati crvotočine, počevši od pitanja: postoje li u prirodi takvi mehanizmi koji bi nam jamčili da takve rupe u prirodi ne mogu postojati? Ti mehanizmi nisu pronađeni, pa možemo pretpostaviti da su crvotočine pravi fenomen.
Je li u načelu moguće vidjeti crvotočinu?
Promotivni video:
- Naravno. Ako u zaključanoj sobi iznenada puzate od nigdje osobe, tada promatrate crvotočinu. Crvotočine kao predmet proučavanja izumio je i promovirao američki teorijski fizičar John Wheeler, koji je uz njihovu pomoć želio objasniti, ne više, ni manje - električne naboje. Objasnimo. Opisivanje slobodnog električnog polja s gledišta teorijske fizike nije vrlo težak zadatak.
Ali vrlo je teško opisati električni naboj s istog gledišta. U ovom se smislu električni naboj pojavljuje kao vrlo tajanstvena stvar: neka tvar, odvojena od polja, nepoznatog podrijetla i nije jasno kako se s njom nositi u klasičnoj fizici. Wheelerova ideja bila je sljedeća. Recimo da imamo mikroskopsku crvotočinu koja je prožeta silnim linijama - s jednog kraja ove linije ulaze u nju, a sa drugog izlaze.
Vanjski promatrač koji ne zna da su ta dva kraja povezana silovitim linijama, takav će ga objekt shvatiti kao jednostavnu sferu u prostoru, pregledat će polje oko njega, a izgledat će kao polje naboja točke. Samo će se promatraču činiti da je to neka vrsta tajanstvene tvari koja ima naboj itd., A sve zato što ne zna da je to zapravo crvotočina.
Naravno, ovo je vrlo elegantna ideja i mnogi su je pokušali razviti, ali nisu postigli puno napretka, jer su, na kraju krajeva, i elektroni kvantni objekti, a naravno, nitko ne zna kako opisati crvotočine na kvantnoj razini. Ali ako pretpostavimo da je hipoteza tačna, crvotočine su više od svakodnevnog fenomena, sve što je povezano s električnom energijom na kraju će se vezati za njih.
Egzotična tvar je klasični pojam fizike koji opisuje svaku (obično hipotetsku) supstancu koja krši jedan ili više klasičnih uvjeta ili se ne sastoji od poznatih bariona. Takve tvari mogu imati osobine negativne gustoće energije ili se odbijati nego privlačiti zbog gravitacije. Egzotična se materija koristi u nekim teorijama, poput teorije strukture crvotočina. Najpoznatiji predstavnik egzotične materije je vakuum u regiji s negativnim tlakom koji nastaje Casimirovim učinkom.
Kakve su crvotočine tu?
- S gledišta teorijskog putovanja postoje prolazne i neprohodne crvotočine. Neprolazni su oni kroz koje je prolaz uništen, a to se događa tako brzo da nijedan objekt jednostavno nema vremena prijeći s jednog na drugi kraj. Naravno, najzanimljivija za proučavanje je druga vrsta crvotočina - prohodna. Postoji čak i lijepa teorija koja kaže da smo ono što smo nekada mislili kao supermasivne crne rupe u središtima galaksija zapravo usta crvotočine. Ova je teorija gotovo nerazvijena i, prirodno, još nije našla potvrdu, već postoji kao vrsta ideje. Njegova suština je da izvan crvotočne rupe vidite samo da u središtu galaksije postoji određeni sferno simetrični objekt, ali ne možete reći što je - crvotočina ili crna rupa.jer ste izvan ovog objekta.
U stvari, oni se mogu razlikovati samo jednim parametrom - masom. Ako se masa pokaže negativnom, onda je to najvjerojatnije crvotočina, ali ako je masa pozitivna, potrebne su dodatne informacije jer crna rupa može ispasti da je crvotočina. Općenito, negativna masa jedan je od središnjih trenutaka čitave priče o crvotočinama. Jer, da bi bio prolazan, crvotočina mora biti ispunjena onom što se zove egzotična tvar - tvar u kojoj je, bar na nekim mjestima, gustoća energije negativna.
Na klasičnoj razini još uvijek nitko nije vidio takvu tvar, ali sigurno znamo da ona u principu može postojati. Registrirani su kvantni učinci koji dovode do pojave takve tvari. To je prilično dobro poznat fenomen i naziva se Casimirov efekt. Službeno je registriran. A to je povezano upravo s postojanjem gustoće negativne energije, što je vrlo nadahnjujuće.
Casimirov efekt je učinak koji se sastoji u međusobnoj privlačnosti provođenja neispranih tijela pod utjecajem kvantnih fluktuacija u vakuumu. Najčešće govorimo o dvije paralelne nepunjene zrcalne površine smještene na bliskoj udaljenosti, ali Casimir efekt postoji i za složenije geometrije. Razlog učinka su fluktuacije energije fizičkog vakuuma zbog stalnog stvaranja i nestanka virtualnih čestica u njemu. Učinak je 1948. predvidio nizozemski fizičar Hendrik Casimir, a kasnije eksperimentalno potvrdio.
Općenito, u kvantnoj znanosti negativna gustoća energije prilično je česta stvar s kojom je, na primjer, povezano Hawkingovo isparavanje. Ako takva gustoća postoji, možemo postaviti sljedeće pitanje: kolika je masa crne rupe (parametar gravitacijskog polja koju je stvorio)? Postoji rješenje za ovaj problem koji je primjenjiv na crne rupe - odnosno na predmete s pozitivnom masom, a postoji rješenje primjenjivo na negativnu masu.
Ako je u crvotočnoj rupi dovoljno egzotične materije, izvan mase ovog predmeta bit će negativne. Stoga je jedna od glavnih vrsta „promatranja“crvotočina praćenje objekata u odnosu na koje se može pretpostaviti da imaju negativnu masu. A ako pronađemo takav objekt, onda s prilično visokim stupnjem vjerojatnosti možemo reći da se radi o crvotočnoj rupi.
Crvotočine su također podijeljene na unutar svijet i unutar svijeta. Ako uništimo tunel između dva ušća rupa druge vrste, moći ćemo vidjeti dva potpuno nepovezana svemira. Takva crvotočina naziva se interworld. Ali ako učinimo isto i vidimo da je sve u redu - ostali smo u istom Univerzumu - tada imamo crvotočinu unutar svijeta. Ove dvije vrste crvotočina imaju puno zajedničkog, ali postoji i važna razlika. Činjenica je da se crvotočina unutar svijeta, ako postoji, obično pretvara u vremenski stroj. Zapravo, upravo je na pozadini ove pretpostavke došlo do posljednjeg porasta interesa za crvotočine.
U slučaju crvotočine u svijetu, dva su načina za gledanje susjeda: direktno kroz tunel ili u obilaznom putu. Ako počnete pomicati jedna usta crvotočine u odnosu na druga, tada će, u skladu s dobro poznatim paradoksom blizanaca, druga osoba, koja se vraća s putovanja, biti mlađa od preostale. S druge strane, kada gledate kroz tunel, oboje sjedite u laboratorijima nepomično, s vašeg stajališta, ništa se ne događa, satovi su sinkronizirani. Tako imate teoretsku priliku da zaronite u ovaj tunel i izađete u trenutku koji, s gledišta vanjskog promatrača, prethodi trenutku kada ste ronili. Odgoda dovedena u odgovarajućoj mjeri stvorit će mogućnost takvog kružnog putovanja u prostoru-vremenu,kad se vratite na svoje prvobitno mjesto polaska i stisnete ruku svoje prethodne inkarnacije.
Paradoks blizanaca je misaoni eksperiment kojim pokušavaju "dokazati" nedosljednost posebne teorije relativnosti. Prema SRT-u, sa stanovišta "stacionarnih" promatrača, svi se procesi kretanja objekata usporavaju. S druge strane, princip relativnosti proglašava jednakost inercijalnih referentnih okvira. Na temelju toga se izgrađuje rasuđivanje, što dovodi do očite kontradikcije. Radi jasnoće, smatra se priča o dva brata blizanca. Jedan od njih (putnik) kreće u svemirski let, a drugi (kućno tijelo) ostaje na Zemlji. Najčešće se "paradoks" formulira na sljedeći način:
S gledišta kauč-krumpira, sat kretanog putnika ima sporo prolazak vremena, pa pri povratku treba zaostajati za satom kauč-krumpira. S druge strane, Zemlja se kretala u odnosu na putnika, tako da bi sat kućnog tijela trebao zaostajati. U stvari, braća su jednaka, stoga, nakon povratka, satovi bi trebali pokazati isto vrijeme. Međutim, prema SRT-u, putnički sat će zaostajati. To kršenje prividne simetrije braće vidi se kao kontradikcija.
Koja je temeljna razlika između crvotočine i crne rupe?
- Prije svega, moram reći da postoje dvije vrste crnih rupa - one koje su nastale kao posljedica pada zvijezda, i one koje su postojale u početku, nastale su pojavom samog Svemira. To su dvije temeljno različite vrste crnih rupa. Svojedobno je postojao takav pojam kao "bijela rupa", sada se rijetko koristi. Bijela rupa je ista crna, ali s vremenom se razvija unatrag. Materija samo leti u crnu rupu, ali odatle nikad ne može pobjeći. Iz bijele rupe, naprotiv, materija samo leti, ali ne možete na nju nikako. Zapravo, ovo je vrlo prirodna stvar ako se sjetimo da je Opća teorija relativnosti u vremenu simetrična, što znači da ako postoje crne rupe, moraju postojati i bijele rupe. Njihova ukupnost je crvotočina.
Što se zna o unutarnjoj strukturi crvotočina?
- Za sada se u tom smislu grade samo modeli. S jedne strane, znamo da je izgled ove egzotične materije otkrio čak eksperimentalno, i još uvijek postoji puno pitanja. Jedini poznati crvotočni otvor koji mi je manje-više usklađen sa stvarnošću je model početne isparavajuće (od početka Svemira) crvotočine. Zbog ovog isparavanja takva rupa dugo ostaje prohodna.
Na čemu točno radite?
- Bavim se isključivo teorijskom aktivnošću, ono što se općenito može nazvati uzročnom strukturom prostora-vremena je klasična teorija relativnosti, ponekad poluklasična (kvantna, kao što znate, još ne postoji).
U klasičnoj nerelativističkoj teoriji može se naći dovoljno uvjerljiv dokaz da putovanje vremenom ne može postojati, ali općenito u relativnosti nema takvih dokaza. A Einstein, kad je upravo razvijao svoju teoriju, toga je bio svjestan. Pitao se postoji li neki način da se isključi ta mogućnost. Tada se nije nosio s tim zadatkom, kako je kasnije i sam rekao. Iako je Einstein stvorio jezik za proučavanje ovog pitanja, zadatak je ostao akademski. Interes za njega eksplodirao je u kasnim četrdesetima, kada je Gödel predložio kozmološki model koji sadrži takve zatvorene krivulje.
No, budući da je Gödel uvijek nudio nešto egzotično, na to su reagirali sa zanimanjem, ali bez ozbiljnih znanstvenih posljedica. A onda, krajem prošlog stoljeća, zahvaljujući uglavnom znanstvenoj fantastici - primjerice, filmu "Kontakt" s Jodie Foster - zanimanje za temu putovanja vremenom uz pomoć crvotočina ponovno je oživjelo. Autor romana, prema kojem je napisan scenarij filma, vrlo je poznati astronom, popularizator znanosti Carl Sagan.
Tom pitanju je pristupio vrlo ozbiljno i zamolio svog prijatelja, također poznatog relativista, Kip-a Thornea, da vidi je li sve što je opisano u filmu moguće s gledišta znanosti. Objavio je polupopularni članak u časopisu za američke učitelje fizike "Crvotočine kao alat za proučavanje Opće teorije relativnosti", gdje je razmatrao mogućnost putovanja kroz crvotočine.
I moram reći da je tada u znanstvenoj fantastici bila popularna ideja putovanja kroz crne rupe. Ali shvatio je da je crna rupa apsolutno neprobojni objekt - putovanje kroz njih je nemoguće, pa je crvotočine promatrao kao priliku za putovanje kroz vrijeme. Iako se to znalo i prije, ali iz nekog razloga ljudi su njegove zaključke uzeli kao potpuno svježu ideju i požurili je istražiti. Štoviše, naglasak je bio na pretpostavci da vremenski stroj ne može postojati, ali odlučili smo otkriti zašto. I vrlo brzo postalo je jasno da nema očitih prigovora postojanju takvog stroja. Od tada počinju sve veće studije i teorije su se počele pojavljivati. Općenito, od tada to radim i ja.
"Kontakt" je znanstveni fantastični film iz 1997. godine. Režija Robert Zemeckis. Glavni zaplet: Ellie Arroway (Judy Foster) cijeli je život posvetila znanosti, ona postaje sudionica projekta traženja izvanzemaljske inteligencije. Svi pokušaji traženja izvanzemaljskih signala su bezuspješni, a budućnost njezinog projekta je na kocki. Ellie očajnički traži podršku, ali neočekivano dobiva pomoć od ekscentričnog milijardera Haddena. I evo rezultata - Ellie primi signal. Dekodiranje signala pokazuje da sadrži opis tehničkog uređaja. Njegova svrha nije jasna, ali unutra se planira mjesto za jednu osobu.
Nakon stvaranja i pokretanja uređaja, Ellie kreće u putovanje kroz crvotočan sustav i prevozi se, vjerojatno na planet u drugom sustavu zvijezda. Probudivši se tamo, na obali mora, susreće predstavnika druge civilizacije, koji je odabrao sliku svog pokojnog oca. Gledajući oko sebe, junakinja shvaća da je ovo područje obnovio vanzemaljac u umu na slici crteža koji je crtao u djetinjstvu. Vanzemaljac joj govori da vam uređaj omogućuje organiziranje sustava međuzvjezdanih komunikacijskih ruta, a Zemlja od sada postaje član zajednice civilizacija Svemira.
Ellie se vraća na Zemlju. Sa stajališta vanjskih promatrača, nakon pokretanja instalacije, ništa joj se nije dogodilo, a njezino tijelo nije napustilo naš planet. Ellie se našla u paradoksalnoj situaciji. Kao znanstvenik, s gledišta rigorozne znanosti, ona ni na koji način ne može potvrditi svoje riječi. Otkrivena je još jedna okolnost: video kamera pričvršćena za Ellie tijekom putovanja nije snimila ništa, ali trajanje praznog snimanja nije bilo nekoliko sekundi, već 18 sati …
Je li moguće "napraviti" crvotočina?
- Samo u vezi s tim postoji strog znanstveni rezultat. To je zbog činjenice da na studiju crvotočina nema točnih rezultata. Postoji teorema dokazana davno, a ona kaže sljedeće. Postoji takva stvar kao što je globalna hiperboličnost. U ovom slučaju uopće nije važno što to znači, ali poanta je u tome što je dosad i budući da je prostor globalno hiperbolički, nemoguće stvoriti crvotočina - ona može postojati u prirodi, ali neće je uspjeti napraviti sami.
Ako uspijete razbiti globalnu hiperboličnost, možda onda možete stvoriti crvotočinu. Ali činjenica je da je ovo kršenje samo po sebi tako egzotična stvar, toliko slabo proučena i slabo shvaćena da je nuspojava od rođenja crvotočine već relativno manja stvar u odnosu na samu činjenicu da ste uspjeli prekršiti globalnu hiperboličnost.
Ovdje se događa vrlo poznata stvar, nazvana "principom stroge kozmičke cenzure", koja kaže da je prostor uvijek globalno hiperbolički. Ali to u principu nije ništa više od želje. Nema dokaza o ispravnosti ovog načela, postoji samo određena unutarnja sigurnost koja je inherentna mnogim ljudima da prostor-vrijeme treba biti globalno hiperbolički. Ako je to slučaj, nemoguće je stvoriti crvotočinu - morate potražiti postojeću. U međuvremenu, oštre sumnje u vjernost načelu kozmičke cenzure izrazio je i sam autor - Roger Penrose, ali to je druga priča.
Odnosno, za stvaranje crvotočine potrebno je ozbiljno trošiti energiju?
- Ovdje je vrlo teško nešto reći. Problem je u tome što kada se vaša globalna hiperboličnost krši, istodobno se krši predvidljivost - to je praktički ista stvar. Prostor oko sebe možete nekako geometrijski promijeniti, na primjer, uzeti vrećicu i staviti je na drugo mjesto. Ali postoje određene granice unutar kojih to možete učiniti, posebice granica koju nametne predvidljivost. Na primjer, ponekad možete reći što će se dogoditi za 2 sekunde, a nekad ne. Granica onoga što možete ili ne možete predvidjeti leži upravo u globalnoj hiperboličnosti. Ako je vaš prostor-vrijeme globalno hiperbolički, možete predvidjeti njegovu evoluciju.
Ako pretpostavimo da u jednom trenutku krši globalnu hiperboličnost, sve postaje vrlo loše s predvidivošću. Stoga, na primjer, nastaje nevjerojatna stvar, takva da se upravo ovdje i sada može desiti crvotočina kroz koju će iskočiti lav. Bit će to egzotična pojava, ali neće prekršiti nijedan zakon fizike. S druge strane, možete potrošiti puno truda, novca i resursa da biste nekako olakšali ovaj postupak. No rezultat će i dalje biti isti - u oba slučaja ne znate hoće li se crvotočina pojaviti ili ne. U klasičnoj fizici ne možemo ništa učiniti - ako želi, hoće, ne želi, neće nastati - kvantna znanost nam ne daje tragove u ovom pitanju.
Načelo "kozmičke cenzure" 1969. formulirao je Roger Penrose u sljedećem figurativnom obliku: "Priroda odustaje od gole jedinstvenosti". Kaže da se singularnosti svemira pojavljuju na mjestima koja su poput unutarnjih područja crnih rupa skrivena od promatrača. Ovo načelo još nije dokazano i postoje razlozi da se sumnja u njegovu apsolutnu ispravnost (na primjer, pad oblaka prašine s velikim kutnim zamahom dovodi do "gole singularnosti", ali nije poznato je li ovo rješenje Einsteinove jednadžbe stabilno s obzirom na malene poremećaje početnih podataka).
Penroseova formulacija (snažan oblik kozmičke cenzure) sugerira da je prostorno vrijeme u cjelini globalno hiperbolično.
Kasnije je Stephen Hawking predložio drugačiju formulaciju (slab oblik kozmičke cenzure), gdje se pretpostavlja samo globalna hiperboličnost „buduće“komponente prostor-vremena.
Olga Fadeeva