Kā paspiest sevi ar sevi, kurš ir ienācis no nākotnes? Kāpēc lauva pēkšņi var materializēties jūsu istabā? Kā nokļūt citā Visumā, apmeklēt laika mašīnu un kas ir “baltais caurums”? Par to runāja Galvenās (Pulkovo) observatorijas Zvaigžņu fizikas laboratorijas vecākais pētnieks Sergejs Krasņikovs.
Sergejs Vladilenovič, kas ir tārps?
- Nav ļoti stingras definīcijas. Šādas definīcijas ir vajadzīgas, kad tiek pierādītas dažas teorēmas, taču gandrīz nav stingru teorēmu, tāpēc tās galvenokārt aprobežojas ar figurāliem jēdzieniem, attēliem. Iedomājieties, ka mēs izņēmām bumbiņu no savas trīsdimensiju telpas vienā telpā un precīzi to pašu bumbu izņēmām citā telpā un pielīmējām iegūto šo caurumu robežas.
Tādējādi, kad mēs vienā telpā kāpjam iekšā šajā bijušajā bumbiņā, kas kļuvusi par caurumu, mēs izkļūsim citā telpā - no cauruma, kas izveidojās citas bumbiņas vietā. Ja mūsu telpa nebūtu trīsdimensiju, bet divdimensiju, tā izskatās kā papīra lapa, kurai ir pielīmēta pildspalva. Trīsdimensiju analogu un tā attīstību laika gaitā sauc par tārpu caurumu.
Kā tiek pētīti tārpu caurumi?
- Šī ir tīri teorētiska darbība. Neviens nekad nav redzējis tārpus un, vispār, nav pārliecības, ka tie vispār pastāv. Viņi sāka pētīt wormholes, sākot no jautājuma: vai dabā ir tādi mehānismi, kas mums garantētu, ka šādi caurumi dabā nevar pastāvēt? Šie mehānismi netika atrasti, tāpēc mēs varam pieņemt, ka tārpu caurumi ir reāla parādība.
Vai principā ir iespējams redzēt tārpu caurumu?
Reklāmas video:
- Protams. Ja aizslēgtā telpā pēkšņi rāpojat no nekurienes, tad jūs novērojat tārpu. Tārpu caurumus kā pētījumu objektu izgudroja un reklamēja amerikāņu teorētiskais fiziķis Džons Vellers, kurš ar viņu palīdzību vēlējās izskaidrot ne vairāk, ne mazāk - elektriskos lādiņus. Ļaujiet mums paskaidrot. Brīva elektriskā lauka aprakstīšana no teorētiskās fizikas viedokļa nav ļoti grūts uzdevums.
Bet no tā paša viedokļa ir ļoti grūti aprakstīt elektrisko lādiņu. Elektriskais lādiņš šajā ziņā parādās kā ļoti noslēpumains: kāda viela, kas ir atdalīta no lauka, nezināmas izcelsmes, un nav skaidrs, kā ar to rīkoties klasiskajā fizikā. Wheeler ideja bija šāda. Teiksim, ka mums ir mikroskopisks tārpa caurums, kas ir pārpildīts ar spēka līnijām - no viena gala šīs līnijas ieiet tajā, bet no otra tās iziet.
Ārējs novērotājs, kurš nezina, ka šos abus galus savieno spēka līnijas, šāds objekts to uztvers kā vienkāršu sfēru telpā, izpētīs lauku ap to un izskatīsies kā punktveida lādiņa lauks. Tikai novērotājs domās, ka tā ir kaut kāda noslēpumaina viela, kurai ir lādiņš utt., Un tas viss tāpēc, ka viņš nezina, ka patiesībā tā ir tārpa caurums.
Protams, tā ir ļoti eleganta ideja, un daudzi ir mēģinājuši to attīstīt, taču viņi nav daudz progresējuši, jo galu galā elektroni ir kvantu objekti, un dabiski, ka neviens nezina, kā aprakstīt tārpus caurumus kvantu līmenī. Bet, ja mēs pieņemam, ka hipotēze ir pareiza, tad tārpu caurumi ir vairāk nekā ikdienas parādība, viss, kas ir saistīts ar elektrību, galu galā ar tiem tiks saistīts.
Eksotiskā viela ir klasisks fizikas jēdziens, kas apraksta jebkuru (parasti hipotētisku) vielu, kas pārkāpj vienu vai vairākus klasiskos nosacījumus vai nesastāv no zināmiem baroniem. Šādām vielām var būt tādas īpašības kā negatīvs enerģijas blīvums vai tās atgrūž, nevis pievilina smaguma dēļ. Eksotiskās vielas tiek izmantotas dažās teorijās, piemēram, tārpu caurumu struktūras teorijā. Visslavenākais eksotisko vielu pārstāvis ir vakuums reģionā ar negatīvu spiedienu, ko rada Kazimira efekts.
Kādi tārpi ir?
- No teorētiskā ceļojuma viedokļa ir caurspīdīgas un neizbraucamas tārpi. Neizbraucami ir tie, caur kuriem ietve tiek iznīcināta, un tas notiek tik ātri, ka nevienam objektam vienkārši nav laika pāriet no viena gala uz otru. Protams, visinteresantākais ir otrais tārpu caurumu tips - caurlaidīgs. Ir pat skaista teorija, kas saka, ka tas, ko mēs kādreiz domājām par supermasīviem melnajiem caurumiem galaktiku centros, faktiski ir tārpu caurumi. Šī teorija ir gandrīz neattīstīta un, protams, vēl nav atradusi nekādu apstiprinājumu, tā drīzāk pastāv kā sava veida ideja. Tās būtība ir tāda, ka ārpus tārpa cauruma jūs redzat tikai to, ka galaktikas centrā ir noteikts sfēriski simetrisks objekts, bet kas tas ir - tārpa caurums vai melnais caurums - jūs nevarat pateikt.jo jūs atrodaties ārpus šī objekta.
Faktiski tos var atšķirt tikai ar vienu parametru - masu. Ja masa izrādās negatīva, tad tas, visticamāk, ir tārps, bet, ja masa ir pozitīva, tad ir nepieciešama papildu informācija, jo melnais caurums var izrādīties tārpa caurums. Negatīva masa kopumā ir viens no centrālajiem mirkļiem visā tārpa caurumā. Tāpēc, ka tārpa caurums ir piepildāms ar to, ko sauc par eksotisku vielu - vielu, kurā vismaz dažās vietās enerģijas blīvums ir negatīvs.
Klasiskajā līmenī neviens nekad nav redzējis šādu vielu, taču mēs droši zinām, ka tā principā var pastāvēt. Reģistrēti kvantu efekti, kas izraisa šādas vielas parādīšanos. Šī ir diezgan plaši pazīstama parādība, un to sauc par Kazimira efektu. Tas tika oficiāli reģistrēts. Un tas ir tieši saistīts ar negatīvas enerģijas blīvuma esamību, kas ir ļoti iedvesmojošs.
Kazimira efekts ir efekts, kas sastāv no neuzlādētu ķermeņu savstarpējas pievilināšanas kvantu svārstību ietekmē vakuumā. Visbiežāk mēs runājam par divām paralēlām neuzlādētām spoguļu virsmām, kas atrodas tuvu attālumā, bet Kazimira efekts pastāv arī sarežģītākām ģeometrijām. Ietekmes iemesls ir fiziskā vakuuma enerģijas svārstības sakarā ar pastāvīgu virtuālo daļiņu radīšanu un izzušanu tajā. Efektu paredzēja holandiešu fiziķis Hendriks Kazimirs 1948. gadā, un vēlāk to eksperimentāli apstiprināja.
Kopumā kvantu zinātnē negatīvās enerģijas blīvums ir diezgan izplatīta lieta, ar kuru, piemēram, tiek saistīta Hokinga iztvaikošana. Ja šāds blīvums pastāv, mēs varam uzdot šādu jautājumu: cik liela ir melnā cauruma masa (tā izveidotā gravitācijas lauka parametrs)? Šai problēmai ir risinājums, kas piemērojams melnajiem caurumiem - tas ir, objektiem ar pozitīvu masu, un ir risinājums, kas piemērojams negatīvai masai.
Ja tārpa caurumā ir pietiekami daudz eksotisku vielu, tad ārpus šī objekta masas būs negatīva. Tāpēc viens no galvenajiem tārpu caurumu "novērošanas" veidiem ir tādu objektu izsekošana, attiecībā uz kuriem var pieņemt, ka tiem ir negatīva masa. Un, ja mēs atrodam šādu objektu, tad ar diezgan lielu varbūtības pakāpi mēs varam teikt, ka tas ir tārps.
Tārpu caurumi ir sadalīti arī pasaules un starp pasaulēs. Ja mēs iznīcināsim tuneli starp otrā tipa caurumu divām mutēm, mēs varēsim redzēt divus pilnīgi nesaistītus Visumus. Šādu tārpu caurumu sauc par starpsienu. Bet, ja mēs darām to pašu un redzam, ka viss ir kārtībā - mēs palikām vienā Visumā, tad mums priekšā ir iekšējās pasaules tārps. Šiem diviem tārpu caurumiem ir daudz kopīga, taču ir arī būtiska atšķirība. Fakts ir tāds, ka iekšējās pasaules tārps, ja tāds pastāv, mēdz pārvērsties laika mašīnā. Patiesībā tieši uz šī pieņēmuma fona radās pēdējais intereses pieaugums par tārpiem.
Iekšpasaules tārpa cauruma gadījumā ir divi dažādi veidi, kā paskatīties uz kaimiņu: tieši caur tuneli vai apļveida veidā. Ja jūs sākat pārvietot vienu tārpa caurumu muti attiecībā pret otru, tad saskaņā ar labi zināmo dvīņu paradoksu otra persona, atgriežoties no ceļojuma, būs jaunāka par to, kas palika. No otras puses, kad jūs skatāties caur tuneli, jūs abi sēžat laboratorijās nekustīgi, no jūsu viedokļa nekas nenotiek, jūsu pulksteņi ir sinhronizēti. Tādējādi jums ir teorētiska iespēja ienirt šajā tunelī un izkāpt brīdī, kas no ārēja novērotāja viedokļa pārsniedz brīdi, kad jūs ienirāt. Atbilstošā pakāpē kavēšanās radīs iespēju šādam apļveida ceļojumam telpā laikā,kad jūs atgriezīsities sākotnējā izlidošanas vietā un pakratīsit savam iepriekšējam iemiesojumam roku.
Dvīņu paradokss ir domas eksperiments, ar kuru viņi mēģina "pierādīt" īpašās relativitātes teorijas neatbilstību. Saskaņā ar SRT teikto, no "stacionāro" novērotāju viedokļa visi kustīgo objektu procesi palēninās. No otras puses, relativitātes princips deklarē inerciālo atskaites rāmju vienlīdzību. Pamatojoties uz to, tiek veidota argumentācija, kas rada acīmredzamu pretrunu. Skaidrības labad tiek apskatīts divu brāļu dvīņu stāsts. Viens no viņiem (ceļotājs) dodas kosmiskajā lidojumā, bet otrais (palieciet mājās) paliek uz Zemes. Visbiežāk "paradokss" tiek formulēts šādi:
No dīvāna kartupeļa viedokļa kustīga ceļotāja pulkstenis laika gaitā lēni iet cauri, tāpēc, atgriežoties tam, tam vajadzētu atpalikt no dīvāna kartupeļa pulksteņa. No otras puses, Zeme kustējās attiecībā pret ceļotāju, tāpēc mājas ķermeņa pulkstenim vajadzētu atpalikt. Faktiski brāļi ir vienlīdzīgi, tāpēc pēc atgriešanās viņu pulksteņiem vajadzētu rādīt vienādu laiku. Tomēr saskaņā ar SRT datiem ceļotāju pulkstenis atpaliks. Šis brāļu šķietamās simetrijas pārkāpums tiek uzskatīts par pretrunu.
Kāda ir būtiska atšķirība starp tārpu caurumu un melno caurumu?
- Pirmkārt, man jāsaka, ka ir divu veidu melnie caurumi - tie, kas izveidojās zvaigžņu sabrukšanas rezultātā, un tie, kas pastāvēja sākotnēji, radās līdz ar paša Visuma parādīšanos. Tie ir divi principiāli atšķirīgi melno caurumu veidi. Vienā reizē bija tāds jēdziens kā "baltais caurums", tagad tas tiek reti izmantots. Baltais caurums ir tas pats melnais, bet laika gaitā mainās. Materiāls vienkārši lido melnā caurumā, bet tas nekad nevar izkļūt no turienes. No baltā cauruma, gluži pretēji, matērija tikai izplūst, bet jūs nekādā veidā nevarat tajā iekļūt. Faktiski tā ir ļoti dabiska lieta, ja atceramies, ka vispārējā relativitātes teorija ir simetriska laikā, kas nozīmē, ka, ja ir melnie caurumi, tad arī baltiem caurumiem ir jābūt. Viņu kopums ir tārps.
Kas ir zināms par tārpu caurumu iekšējo struktūru?
- Pagaidām šajā ziņā tiek būvēti tikai modeļi. No vienas puses, mēs zinām, ka šīs eksotiskās vielas izskats, iespējams, tika atklāts pat eksperimentāli, un joprojām ir daudz jautājumu. Vienīgais man zināmais tārpa cauruma modelis, kas vairāk vai mazāk atbilst realitātei, ir sākotnēji iztvaikojoša (kopš Visuma sākuma) tārpa cauruma modelis. Sakarā ar šo iztvaikošanu šāds caurums ilgu laiku paliek caurlaidīgs.
Ar ko īsti strādājat?
- Es nodarbojos tikai ar teorētiskām aktivitātēm, ko parasti var saukt par telpas-laika cēloņsakarības struktūru, ir klasiskā relativitātes teorija, dažkārt pusklasiskā (kā jūs zināt, kvants vēl neeksistē).
Klasiskajā nerelativistiskajā teorijā var nākt klajā ar pietiekami pārliecinošiem pierādījumiem, ka laika ceļojums nevar pastāvēt, bet kopumā relativitātei šādu pierādījumu nav. Un Einšteins, tikai izstrādājot savu teoriju, to apzinājās. Viņš domāja, vai ir kāds veids, kā izslēgt šo iespēju. Tad viņš netika galā ar šo uzdevumu, kā vēlāk teica pats. Lai arī Einšteins izveidoja valodu šī jautājuma izpētei, uzdevums palika akadēmisks. Interese par to eksplodēja 1940. gadu beigās, kad Gēdels ierosināja kosmoloģisko modeli, kurā bija šādas slēgtas līknes.
Bet tā kā Gēdels vienmēr piedāvāja kaut ko eksotisku, viņi uz to reaģēja ar interesi, bet bez nopietnām zinātniskām sekām. Un tad, apmēram pagājušā gadsimta beigās, pateicoties galvenokārt zinātniskajai fantastikai - piemēram, filmai “Kontakts” ar Džodiju Fosteri -, atkal tika atdzīvināta interese par laika ceļojuma tēmu ar tārpu caurumu palīdzību. Romāna, saskaņā ar kuru tika uzrakstīts filmas scenārijs, autors ir ļoti slavens astronoms, zinātnes popularizētājs Karls Sagans.
Viņš pievērsās šai lietai ļoti nopietni un lūdza savam draugam, arī ļoti slavenajam relativistam Kipam Tornam, pārliecināties, vai viss, kas aprakstīts filmā, ir iespējams no zinātnes viedokļa. Un viņš žurnālā publicēja daļēji populāru rakstu amerikāņu fizikas skolotājiem "Tārpi caurumiem kā rīks vispārējās relativitātes teorijas izpētei", kur viņš apsvēra iespēju laiku ceļot caur tārpiem.
Un man jāsaka, ka tad zinātniskajā fantastikā bija populāra ideja ceļot pa melnajiem caurumiem. Bet viņš saprata, ka melnais caurums ir absolūti necaurejams objekts - ceļot pa tiem nav iespējams, tāpēc tārpu caurumus viņš uzskatīja par iespēju laika ceļojumam. Lai gan tas bija zināms jau iepriekš, taču kaut kādu iemeslu dēļ cilvēki uzskatīja viņa secinājumus par pilnīgi jaunu ideju un steidzās to izpētīt. Turklāt uzsvars tika likts uz pieņēmumu, ka laika mašīna nevar pastāvēt, bet mēs nolēmām noskaidrot, kāpēc. Un diezgan ātri kļuva skaidrs, ka acīmredzamu iebildumu pret šādas mašīnas esamību nav. Kopš tā laika ir sākušies plašāka mēroga pētījumi, un ir sākušas parādīties teorijas. Kopumā kopš tā laika es arī to daru.
"Kontakts" ir 1997. gada sci-fi filma. Režisors Roberts Zemeckis. Galvenais sižets: Ellija Arroveja (Džūdija Fostere) visu savu dzīvi veltīja zinātnei, viņa kļūst par projektu ārpuszemes intelekta meklēšanai. Visi mēģinājumi meklēt ārpuszemes signālus ir bez rezultātiem, un uz spēles ir likta viņas projekta nākotne. Ellija izmisīgi meklē atbalstu, taču negaidīti saņem palīdzību no ekscentriskā miljardiera Haddena. Un šeit ir rezultāts - Ellija uztver signālu. Signāla dekodēšana parāda, ka tajā ir tehniskās ierīces apraksts. Tās mērķis nav skaidrs, bet iekšpusē ir paredzēta vieta vienam cilvēkam.
Pēc ierīces izveidošanas un palaišanas Ellija dodas ceļojumā caur tārpu caurumu sistēmu un tiek nogādāta, iespējams, uz planētu citā zvaigžņu sistēmā. Pamostoties tur, jūras krastā, viņa satiekas ar citas civilizācijas pārstāvi, kura izvēlējās sava vēlīnā tēva tēlu. Palūkojoties apkārt, varone saprot, ka šo apkārtni viņas prātā ir radījis svešs prāts, zīmējuma tēlā, kuru viņa zīmēja bērnībā. Citplanētiete stāsta, ka ierīce ļauj organizēt starpzvaigžņu komunikācijas ceļu sistēmu, un Zeme no šī brīža kļūst par Visuma civilizāciju kopienas locekli.
Ellija atgriežas uz Zemes. No ārpuses novērotāju viedokļa pēc instalācijas uzsākšanas viņai nekas nenotika, un viņas ķermenis neatstāja mūsu planētu. Ellija nonākusi paradoksālā situācijā. Kā zinātniece no stingras zinātnes viedokļa viņa nekādā veidā nevar apstiprināt savus vārdus. Atklāts arī vēl viens apstāklis: Ellijai brauciena laikā pievienotā videokamera neko nefiksēja, bet tukšā ieraksta ilgums nebija dažas sekundes, bet 18 stundas …
Vai ir iespējams "padarīt" tārpu caurumu?
- Tikai par to ir stingri zinātniski rezultāti. Tas ir saistīts ar faktu, ka precīzu pētījumu par tārpu caurumiem nav. Ir teorēma, kas pierādīta jau sen, un tā saka sekojošo. Pastāv tāda lieta kā globālā hiperbolitāte. Šajā gadījumā nav nozīmes tam, ko tas nozīmē, bet jēga ir tāda, ka, lai arī kosmoss ir globāli hiperbolisks, nav iespējams izveidot tārpu caurumu - tas var pastāvēt dabā, bet jūs pats to nevarat izveidot.
Ja jums izdodas izjaukt globālo hiperboliskumu, tad varbūt jūs varat izveidot tārpu caurumu. Bet fakts ir tāds, ka šis pārkāpums pats par sevi ir tik eksotiska lieta, tik vāji izpētīta un slikti saprotama, ka tārpa cauruma piedzimšanas blakusparādība jau ir salīdzinoši maza lieta, salīdzinot ar pašu faktu, ka jums izdevās pārkāpt globālo hiperboliskumu.
Šeit notiek ļoti slavena lieta, ko sauc par “stingras kosmiskās cenzūras principu”, kurā teikts, ka kosmoss vienmēr ir globāli hiperbolisks. Bet tas principā ir nekas vairāk kā vēlēšanās. Nav pierādījumu par šī principa pareizību, ir tikai noteikta iekšēja pārliecība, kas raksturīga daudziem cilvēkiem, ka telpas laikam ir jābūt globāli hiperboliskam. Ja tā, tārpu caurumu izveidot nav iespējams - jums jāmeklē esošais. Tikmēr nopietnas šaubas par kosmiskās cenzūras principa uzticamību pauda pats autors - Rodžers Penrozs, bet tas jau ir cits stāsts.
Tas ir, lai izveidotu tārpu caurumu, ir vajadzīgas dažas nopietnas enerģijas izmaksas?
- Šeit ir ļoti grūti kaut ko pateikt. Problēma ir tā, ka tad, ja tiek pārkāpta jūsu globālā hiperbolitāte, tiek pārkāpta arī paredzamība - tas ir praktiski viens un tas pats. Jūs varat kaut kā ģeometriski mainīt telpu ap jums, piemēram, paņemt somu un ievietot to citā vietā. Bet ir noteiktas robežas, kurās jūs to varat izdarīt, it īpaši ierobežojums, ko nosaka paredzamība. Piemēram, dažreiz jūs varat pateikt, kas notiks pēc 2 sekundēm, un dažreiz nē. Tas, ko jūs varat paredzēt vai ko nevarat paredzēt, precīzi slēpjas globālā hiperboliskumā. Ja jūsu telpas laiks ir globāli hiperbolisks, varat paredzēt tā attīstību.
Ja mēs pieņemam, ka kādā brīdī tas pārkāpj globālo hiperboliskumu, tad ar paredzamību viss kļūst ļoti slikti. Tāpēc rodas pārsteidzoša lieta, piemēram, tāda, ka tieši šeit un tagad var piepildīties tārpa caurums, caur kuru lauva izlēks. Tā būs eksotiska parādība, taču tā nepārkāps nevienu fizikas likumu. No otras puses, jūs varat tērēt daudz pūļu, naudas un resursu, lai kaut kā atvieglotu šo procesu. Bet rezultāts joprojām būs vienāds - abos gadījumos nezināt, vai parādīsies tārpa caurums. Klasiskajā fizikā mēs neko nevaram darīt - ja vēlas, tad gribēs, negrib, to neradīs - kvantu zinātne mums pagaidām nedod nekādu norāžu.
"Kosmiskās cenzūras" principu 1969. gadā formulēja Rodžers Penrozs šādā pārnestā formā: "Daba attur no kailas savdabības." Tajā teikts, ka kosmosa laika īpatnības parādās vietās, kuras, tāpat kā melno caurumu iekšējie reģioni, ir paslēptas no novērotājiem. Šis princips vēl nav pierādīts, un ir iemesli apšaubīt tā absolūto pareizību (piemēram, putekļu mākoņa sabrukšana ar lielu leņķisko impulsu noved pie “kailās singularitātes”, taču nav zināms, vai šis Einšteina vienādojumu risinājums ir stabils attiecībā uz maziem sākotnējo datu traucējumiem).
Penrose formulējums (spēcīga kosmiskās cenzūras forma) liek domāt, ka kosmosa laiks kopumā ir hiperbolisks.
Vēlāk Stefans Hokings ierosināja citu formulējumu (vāja kosmiskās cenzūras forma), kur tiek pieņemta tikai telpas-laika "nākotnes" komponenta globālā hiperbolitāte.
Olga Fadeeva