Kuinka kätellä itseäsi kanssa, joka on lentänyt tulevaisuudesta? Miksi leijona voi yhtäkkiä materialisoitua huoneeseesi? Kuinka päästä toiseen maailmankaikkeuteen, käydä aikakoneessa ja mikä on "valkoinen reikä"? Tästä puhui Main (Pulkovo) observatorion Tähtifysiikan laboratorion vanhempi tutkija Sergei Krasnikov.
Sergey Vladilenovich, mikä on madonreikä?
- Ei ole kovin tiukkaa määritelmää. Sellaisia määritelmiä tarvitaan silloin, kun todistetaan joitain lauseita, mutta tiukat lauseet eivät ole olemassa, joten ne rajoittuvat pääasiassa figuratiivisiin käsitteisiin, kuviin. Kuvittele, että otimme pallon kolmiulotteisesta tilamme samassa huoneessa ja otimme täsmälleen saman pallon toisessa huoneessa ja liimmeimme näiden reikien tuloksena olevat rajat.
Siksi, kun astumme yhdessä huoneessa tämän entisen pallon sisään, josta on tullut reikä, nousemme toiseen huoneeseen - reiästä, joka muodostui toisen pallon tilalle. Jos tilamme ei olisi kolmiulotteinen, vaan kaksiulotteinen, se näyttää paperiarkilta, johon kynä on liimattu. Kolmiulotteista analogia ja sen kehitystä ajan myötä kutsutaan madonreikäksi.
Kuinka madonreikiä tutkitaan?
- Tämä on puhtaasti teoreettista toimintaa. Kukaan ei ole koskaan nähnyt madonreikiä, ja yleensä ei ole varmuutta siitä, että niitä on ollenkaan. He ryhtyivät tutkimaan madonreikiä aloittaen kysymyksestä: Onko luonnossa sellaisia mekanismeja, jotka takaisivat meille, että sellaisia reikiä luonnossa ei voi olla? Näitä mekanismeja ei löytynyt, joten voidaan olettaa, että madonreiät ovat todellinen ilmiö.
Onko periaatteessa mahdollista nähdä madonreikä?
Mainosvideo:
- Tietysti. Jos indeksoit yhtäkkiä lukitusta huoneesta ihmisen tyhjästä, huomaa madonreikä. Amerikkalainen teoreettinen fyysikko John Wheeler keksi ja edisti madonreikiä tutkimusobjektina, joka halusi heidän avullaan selittää, ei enempää, yhtäkään kuin sähkövarauksia. Antakaamme selittää. Vapaan sähkökentän kuvaaminen teoreettisen fysiikan kannalta ei ole kovin vaikea tehtävä.
Mutta on erittäin vaikea kuvailla sähkövarausta samasta näkökulmasta. Sähkövaraus näyttää tässä mielessä erittäin salaperäiseltä: jonkin aineen, kentältä erillisen, tuntemattoman alkuperän, ja ei ole selvää, miten sitä käsitellään klassisessa fysiikassa. Wheelerin idea oli seuraava. Oletetaan, että meillä on mikroskooppinen matoreikä, joka on täynnä voimalinjoja - yhdestä päästä nämä linjat tulevat siihen, ja toisesta ne poistuvat.
Ulkopuolinen tarkkailija, joka ei tiedä, että nämä kaksi päätä on kytketty voimalinjoilla, sellainen esine havaitsee sen yksinkertaisena avaruudessa olevana pallona, tutkii sitä ympäröivän kentän ja näyttää pistepisteen kentältä. Vain tarkkailija ajattelee, että tämä on jonkinlainen salaperäinen aine, jolla on varaus jne., Ja kaikki, koska hän ei tiedä, että se itse asiassa on madonreikä.
Tietenkin, tämä on erittäin tyylikäs idea, ja monet ovat yrittäneet kehittää sitä, mutta ne eivät ole edistyneet paljon, koska elektronit ovat loppujen lopuksi kvantiobjekteja, ja luonnollisesti kukaan ei osaa kuvata madonreikiä kvantitasolla. Mutta jos oletamme, että hypoteesi on oikea, niin madonreiät ovat enemmän kuin arkipäivää, kaikki sähköön liittyvä liittyy lopulta niihin.
Eksoottinen aine on klassinen fysiikan käsite, joka kuvaa mitä tahansa (yleensä hypoteettista) ainetta, joka rikkoo yhtä tai useampaa klassista ehtoa tai ei koostu tunnetuista baryoneista. Tällaisilla aineilla voi olla sellaisia ominaisuuksia kuin negatiivinen energian tiheys tai hylätä sen sijaan, että vetoavat painovoiman vuoksi. Eksoottista ainetta käytetään joissain teorioissa, kuten matoreikien rakenteen teoriassa. Tunnetuin eksoottisen aineen edustaja on tyhjiö alueella, jonka Casimir-vaikutuksen aiheuttama negatiivinen paine on.
Millaisia madonreikiä siellä on?
- Teoreettisen matkan kannalta on olemassa kulkevia ja läpäisemättömiä madonreikiä. Läpäisemättömiä ovat ne, joiden läpi käytävä tuhoutuu, ja tämä tapahtuu niin nopeasti, että millään esineellä ei ole yksinkertaisesti aikaa siirtyä päästä toiseen. Tietenkin mielenkiintoisin opiskelu on toisen tyyppisiä madonreikiä - ohut. On jopa kaunis teoria, joka sanoo, että se mitä meillä tapana ajatella olevan supermassiivisia mustia reikiä galaksien keskuksissa, ovat todellisuudessa madonreikien suu. Tämä teoria on melkein kehittämätön, eikä luonnollisestikaan ole vielä löytänyt mitään vahvistusta, se on pikemminkin eräänlainen idea. Sen ydin on, että madonreiän ulkopuolella näet vain, että galaksin keskellä on tietty pallomaisesti symmetrinen esine, mutta et voi sanoa mikä se on - madonreikä tai musta aukko.koska olet tämän esineen ulkopuolella.
Itse asiassa ne voidaan erottaa vain yhdellä parametrilla - massalla. Jos massa osoittautuu negatiiviseksi, niin kyseessä on todennäköisesti madonreikä, mutta jos massa on positiivinen, tarvitaan lisätietoja, koska musta reikä voi osoittautua madonreikä. Negatiivinen massa on yleensä yksi madonreiän tarinan keskeisistä hetkeistä. Koska madonreikä on läpäisevä, se on täytettävä eksoottisella aineella, jota kutsutaan eksoottiseksi aineeksi - aineella, jonka energiatiheys on ainakin paikoin tietyissä kohdissa negatiivinen.
Klassisella tasolla kukaan ei ole koskaan nähnyt tällaista ainetta, mutta tiedämme varmasti, että sitä voi periaatteessa esiintyä. Kvanttisia vaikutuksia on rekisteröity, jotka johtavat tällaisen aineen esiintymiseen. Tämä on melko tunnettu ilmiö, ja sitä kutsutaan Casimir-ilmiöksi. Se rekisteröitiin virallisesti. Ja se liittyy tarkasti negatiivisen energiatiheyden olemassaoloon, mikä on erittäin innostavaa.
Casimir-ilmiö on vaikutus, joka koostuu varautumattomien kappaleiden johtamisesta molemminpuolisesti tyhjiössä kvanttivaihteluiden vaikutuksesta. Useimmiten puhutaan kahdesta rinnakkaisesta lataamattomasta peilipinnasta, jotka sijaitsevat läheltä etäisyyttä, mutta Casimirin efekti on olemassa myös monimutkaisemmille geometrioille. Syy vaikutukselle on fyysisen tyhjiön energiavaihtelu, joka johtuu virtuaalihiukkasten jatkuvasta luomisesta ja häviämisestä siihen. Hollantilainen fyysikko Hendrik Casimir ennusti vaikutuksen vuonna 1948 ja vahvisti myöhemmin kokeellisesti.
Yleensä kvantitieteessä negatiivinen energian tiheys on melko yleinen asia, johon liittyy esimerkiksi Hawkingin haihtuminen. Jos tällainen tiheys on olemassa, voimme kysyä seuraavaa kysymystä: kuinka suuri on mustan aukon massa (sen luoman gravitaatiokentän parametri)? Tähän ongelmaan on ratkaisu, jota voidaan soveltaa mustiin reikiin - eli kohteisiin, joilla on positiivinen massa, ja on ratkaisu, jota voidaan soveltaa negatiiviseen massaan.
Jos madonreiässä on tarpeeksi eksoottista ainetta, tämän esineen massa on negatiivinen. Siksi yksi madonreikien "havainnoinnin" päätyypeistä on niiden kohteiden seuranta, joiden suhteessa voidaan olettaa, että niiden massa on negatiivinen. Ja jos löydämme tällaisen esineen, niin melko suurella todennäköisyydellä voidaan sanoa, että tämä on madonreikä.
Matoreiät on myös jaettu maailman sisäiseen ja sisäiseen maailmaan. Jos tuhoamme tunnelin toisen tyyppisten reikien kahden suun välillä, pystymme näkemään kaksi täysin toisiinsa liittymätöntä universumia. Tällaista madonreiää kutsutaan maailmaan. Mutta jos teemme samoin ja näemme, että kaikki on hyvin - oleskelemme samassa universumissa -, meillä on maailmansisäinen madonreikä. Näillä kahdella madonrei'ityypillä on paljon yhteistä, mutta siinä on myös tärkeä ero. Tosiasia on, että maailmansisäinen madonreikä, jos sitä on, pyrkii muuttumaan aikakoneeksi. Tosiasiassa viimeisen kiinnostuksen lisääntyminen madonrei'istä tapahtui tämän olettamuksen taustalla.
Maailmansisäisen madonreiän tapauksessa on kaksi erilaista tapaa katsoa naapuria: suoraan tunnelin läpi tai pyöreällä tiellä. Jos ryhdyt liikuttamaan madonreiän yhtä suurta toiseen nähden, niin kaksosien tunnetun paradoksin mukaisesti toinen matkasta palaava henkilö on nuorempi kuin jäljelle jäänyt. Toisaalta, kun katsot tunnelin läpi, istut molemmissa laboratorioissa liikkumattomasti, näkökulmasi mukaan mitään ei tapahdu, kellosi ovat synkronoituja. Siten sinulla on teoreettinen mahdollisuus sukeltaa tähän tunneliin ja päästä ulos hetkessä, joka ulkopuolisen tarkkailijan kannalta edeltää hetkeä, jolloin sukelsit. Sopivaan mittaan viivästyminen antaa mahdollisuuden tällaiseen kiertomatkaan avaruus-ajassa,kun palaat alkuperäiseen lähtöpisteeseesi ja ravistat edellisen inkarnaation kättä.
Kaksosten paradoksi on ajatuskoe, jolla he yrittävät "todistaa" suhteellisuusteorian erityisteorian epäjohdonmukaisuuden. SRT: n mukaan "liikkumattomien" tarkkailijoiden kannalta kaikki liikkuvien esineiden prosessit hidastuvat. Toisaalta suhteellisuusteoria julistaa inertiaalisten viitekehysten yhtäläisyyden. Tämän perusteella päättely rakennetaan, mikä johtaa ilmeiseen ristiriitaan. Selvyyden vuoksi tarkastellaan kahden kaksosvennän tarinaa. Yksi heistä (matkustaja) lähtee avaruuslentoon, ja toinen (oleskelu kotona) jää maan päälle. Useimmiten "paradoksi" muotoillaan seuraavasti:
Sohvaperunan kannalta liikkuvan matkustajan kellon aika kuluu hitaasti, joten paluun pitäisi olla jäljessä sohvaperunan kellosta. Toisaalta, Maa liikkui suhteessa matkustajaan, joten kotirungon kellon pitäisi olla myöhässä. Itse asiassa veljet ovat tasa-arvoisia, joten paluun jälkeen heidän kellonsa pitäisi näyttää saman ajan. SRT: n mukaan matkakello on kuitenkin jäljessä. Tätä veljien näennäisen symmetrian rikkomista pidetään ristiriidana.
Mikä on perustavanlaatuinen ero madonreiän ja mustan aukon välillä?
- Ensinnäkin minun on sanottava, että mustia aukkoja on kahta tyyppiä - ne, jotka syntyivät tähteiden romahtamisen seurauksena, ja ne, jotka olivat olemassa alun perin, syntyivät itse maailmankaikkeuden syntyessä. Nämä ovat kaksi täysin erilaista mustaa reikää. Aikanaan oli olemassa sellainen käsite kuin "valkoinen reikä", nyt sitä käytetään harvoin. Valkoinen reikä on sama musta, mutta kehittyy taaksepäin ajassa. Aine lentää vain mustaan aukkoon, mutta se ei voi koskaan paeta sieltä. Valkoisesta reiästä päinvastoin, aine vain lentää ulos, mutta et pääse siihen millään tavalla. Itse asiassa tämä on hyvin luonnollinen asia, jos muistamme, että suhteellisuusteoria on ajallisesti symmetrinen, mikä tarkoittaa, että jos mustia aukkoja on, myös valkoisten reikien on oltava. Heidän kokonaisuutensa on madonreikä.
Mitä madonreikien sisäisestä rakenteesta tiedetään?
- Toistaiseksi tässä mielessä vain malleja rakennetaan. Yhtäältä tiedämme, että tämän eksoottisen aineen ilme on ehkä löydetty jopa kokeellisesti, ja silti on paljon kysymyksiä. Ainoa minulle tiedossa oleva madonreiän malli, joka on enemmän tai vähemmän yhdenmukainen todellisuuden kanssa, on alun perin haihtuvan (maailmankaikkeuden alusta lähtien) madonreiän malli. Tästä haihtumisesta johtuen tällainen reikä pysyy läpi ajan pitkään.
Mitä oikein työskentelet?
- Harjoitan puhtaasti teoreettista toimintaa, jota avaruus-ajan syy-rakenteeksi voidaan yleensä kutsua klassisena suhteellisuusteoriana, toisinaan puoliklassisena (kuten tiedätte, kvanttia ei vielä ole).
Klassisessa nonrelativistisessa teoriassa voidaan laatia riittävän vakuuttavia todisteita siitä, että aikamatkaa ei voi olla olemassa, mutta yleisesti suhteellisuusteoriassa tällaista näyttöä ei ole. Ja Einstein, kun hän vain kehitti teoriaansa, oli tietoinen tästä. Hän pohti, voisiko jollain tavalla sulkea pois tämän mahdollisuuden. Sitten hän ei selvinnyt tästä tehtävästä, kuten hän itse myöhemmin sanoi. Vaikka Einstein loi kielen tutkia tätä kysymystä, tehtävä pysyi akateemisena. Kiinnostus siihen räjähti 1940-luvun lopulla, kun Gödel ehdotti kosmologista mallia, joka sisälsi tällaiset suljetut käyrät.
Mutta koska Gödel tarjosi aina jotain eksoottista, he reagoivat tähän mielenkiinnolla, mutta ilman vakavia tieteellisiä seurauksia. Ja sitten, viimeisen vuosisadan lopulla, lähinnä tieteiskirjallisuuden - esimerkiksi Jodie Fosterin kanssa otetun elokuvan "Yhteys" -elokuvan - ansiosta, mielenkiinto aikamatkailun aiheeseen madonreikien avulla herätti uudelleen. Romaanin, jonka mukaan elokuvan käsikirjoitus kirjoitettiin, kirjoittaja on erittäin kuuluisa tähtitieteilijä, tieteen popularisoija Carl Sagan.
Hän lähestyi asiaa hyvin vakavasti ja pyysi ystäväänsä, myös hyvin kuuluisaa relativistia, Kip Thornea, selvittämään, onko elokuvassa kuvattu kaikki mahdollista tieteen näkökulmasta. Ja hän julkaisi puoliksi suositun artikkelin amerikkalaisille fysiikan opettajille suunnatussa lehdessä "Matoreiät välineenä suhteellisuusteorian tutkimiseen", jossa hän harkitsi ajan kulkeutumisen mahdollisuutta matoreikien läpi.
Ja minun on sanottava, että silloin tieteiskirjallisuudessa ajatus matkustaa mustien reikien läpi oli suosittu. Mutta hän ymmärsi, että musta aukko on ehdottomasti läpäisemätön esine - niiden läpi kulkeminen on mahdotonta, joten hän piti madonreikiä mahdollisuutena aikamatkalle. Vaikka tämä tiedettiin aikaisemmin, mutta jostain syystä ihmiset pitivät johtopäätöksensä täysin tuoreena ideana ja ryntäsivät tutkimaan sitä. Lisäksi painotettiin olettamaa, että aikakonetta ei voi olla, mutta päätimme selvittää miksi. Ja melko nopeasti kävi selväksi, ettei tällaisen koneen olemassaololle ollut mitään selviä vastalauseita. Sittemmin laajemmat tutkimukset ovat alkaneet, ja teorioiden on alkanut ilmestyä. Yleensä siitä lähtien olen myös tehnyt tätä.
"Contact" on vuoden 1997 sci-fi-elokuva. Ohjaaja Robert Zemeckis. Pää juoni: Ellie Arroway (Judy Foster) omistautti koko elämänsä tieteelle, hänestä tulee osallistuja projektiin, jonka tarkoituksena on etsiä maan ulkopuolista älykkyyttä. Kaikki yritykset etsiä maapallon ulkopuolisia signaaleja ovat tuloksettomia, ja hänen projektinsa tulevaisuus on vaarassa. Ellie etsii epätoivoisesti tukea, mutta saa odottamattomasti apua epäkeskisen miljardööri Haddenilta. Ja tässä on tulos - Ellie poimii signaalin. Signaalin dekoodaus osoittaa, että se sisältää teknisen laitteen kuvauksen. Sen tarkoitus ei ole selvä, mutta sisälle on suunniteltu paikka yhdelle henkilölle.
Laitteen luomisen ja käynnistämisen jälkeen Ellie aloittaa matkan madonreikäjärjestelmän läpi ja kuljetetaan todennäköisesti toisen tähtijärjestelmän planeetalle. Siellä, merenrannalla herätessään hän tapaa toisen sivilisaation edustajan, joka valitsi kuvansa myöhäisestä isästään. Ympäristönsä katselemalla sankaritar huomaa, että vieraan mielen mielestä tämä alue on luotu uudelleen lapsuudessa piirtämän kuvan perusteella. Muukalainen kertoo hänelle, että laitteen avulla voit organisoida tähtienvälisten viestintäreittien järjestelmän, ja maasta tulee tästä lähtien maailmankaikkeuden sivilisaatioiden yhteisön jäsen.
Ellie palaa maan päälle. Ulkopuolisten tarkkailijoiden kannalta installaation käynnistymisen jälkeen hänelle ei tapahtunut mitään, eikä hänen ruumiinsa lähtenyt planeettamme. Ellie joutuu paradoksaaliseen tilanteeseen. Tiedemiehenä tiukan tieteen näkökulmasta hän ei voi millään tavalla vahvistaa sanojaan. Paljastuu myös vielä yksi seikka: Ellielle matkan aikana kiinnitetty videokamera ei nauhoittanut mitään, mutta tyhjän nauhoituksen kesto ei ollut muutama sekunti, vaan 18 tuntia …
Onko mahdollista tehdä "madonreikä"?
- Juuri tästä on tiukka tieteellinen tulos. Tämä johtuu tosiasiasta, että madonreikien tutkimuksesta ei ole tarkkoja tuloksia. On olemassa lause, joka on todistettu kauan sitten, ja se sanoo seuraavan. On olemassa sellainen asia kuin globaali hyperbolisuus. Tässä tapauksessa sillä ei ole mitään merkitystä, mitä se tarkoittaa, mutta asia on, että vaikka ja koska avaruus on globaalisti hyperbolinen, madonreiän luominen on mahdotonta - se voi olla luonnossa, mutta se ei toimi sen tekemiseksi itse.
Jos onnistut murtamaan globaalin hyperbolisuuden, ehkä voit luoda madonreiän. Mutta tosiasia, että tämä rikkomus on sinänsä eksoottinen asia, niin huonosti tutkittu ja huonosti ymmärretty, että madonreiän syntymän sivuvaikutus on jo suhteellisen vähäinen asia verrattuna tosiasiaan, että onnistuit rikkomaan maailmanlaajuista hyperbolisuutta.
Täällä tapahtuu hyvin kuuluisa asia, nimeltään”tiukan kosmisen sensuurin periaate”, joka sanoo, että avaruus on aina globaalisti hyperbolinen. Mutta tämä ei periaatteessa ole mitään muuta kuin toivea. Tämän periaatteen paikkansapitävyydestä ei ole todisteita, monille ihmisille on vain tietty sisäinen luottamus siihen, että avaruus-ajan tulisi olla globaalisti hyperbolinen. Jos näin on, madonreiän luominen on mahdotonta - sinun on etsittävä olemassa olevaa. Sillä välin kirjoittaja itse - Roger Penrose - ilmaisi vakavia epäilyjä kosmisen sensuurin periaatteen uskollisuudesta, mutta se on toinen tarina.
Toisin sanoen madonreiän luominen vaatii joitain vakavia energiakustannuksia?
- On erittäin vaikea sanoa jotain täällä. Ongelmana on, että kun globaalia hyperbolisuuttasi loukataan, niin samalla ennustettavuus on loukattu - tämä on käytännössä sama asia. Voit jotenkin muuttaa geometrisesti tilaa ympärilläsi, esimerkiksi ottaa laukun ja laittaa sen toiseen paikkaan. Mutta tietyillä rajoilla, joiden sisällä voit tehdä tämän, erityisesti ennakoitavuuden asettama raja. Voit esimerkiksi joskus sanoa, mitä tapahtuu 2 sekunnissa, ja joskus ei. Tila, mitä pystyt ennustamaan tai ei pysty ennustamaan, on tarkalleen globaalissa hyperbolisuudessa. Jos avaruus-aikasi on globaalisti hyperbolinen, voit ennustaa sen kehityksen.
Jos oletetaan, että jossain vaiheessa se rikkoo globaalia hyperbolisuutta, kaikki muuttuu erittäin huonoksi ennustettavuuden avulla. Siksi syntyy esimerkiksi hämmästyttävä asia, että juuri täällä ja nyt matoreikä voi toteutua, jonka kautta leijona hyppää ulos. Se on eksoottinen ilmiö, mutta se ei riko mitään fysiikan lakeja. Toisaalta voit käyttää paljon vaivaa, rahaa ja resursseja helpottaaksesi prosessia jollain tavalla. Mutta tulos on silti sama - molemmissa tapauksissa et tiedä tuleeko madonreikä vai ei. Klassisessa fysiikassa emme voi tehdä asialle mitään - jos se haluaa, se tekee, se ei halua sitä, sitä ei tule esiin - kvantitiede ei vielä anna meille mitään vihjeitä tässä asiassa.
Roger Penrose muotoili vuonna 1969 "kosmisen sensuurin" periaatteen seuraavassa kuviomuodossa: "Luonto kieltää alastomuuden." Siinä sanotaan, että avaruusaikaerot ilmenevät paikoissa, jotka, kuten mustien reikien sisäalueet, ovat piilossa tarkkailijoilta. Tätä periaatetta ei ole vielä todistettu, ja on syytä epäillä sen absoluuttista oikeellisuutta (esimerkiksi pölypilven romahtaminen suurella kulmaliikkeellä johtaa "alastomuuteen", mutta ei tiedetä, onko tämä Einsteinin yhtälöiden ratkaisu vakaa suhteessa alkuperäisen datan pieniin häiriöihin).
Penrose-sanamuoto (vahva kosmisen sensuurin muoto) viittaa siihen, että avaruusaika kokonaisuutena on globaalisti hyperbolinen.
Myöhemmin Stephen Hawking ehdotti erilaista formulaatiota (heikko kosmisen sensuurin muoto), jossa oletetaan vain avaruus-ajan "tulevan" komponentin globaalin hyperbolisuuden.
Olga Fadeeva