Hur man skakar hand med sig själv, som har flytt in från framtiden? Varför kan ett lejon plötsligt uppstå i ditt rum? Hur kommer man till ett annat universum, besöker en tidsmaskin och vad är ett "vitt hål"? Sergey Krasnikov, seniorforskare vid Star Physics Laboratory of the Main (Pulkovo) Observatory, talade om detta.
Sergey Vladilenovich, vad är ett maskhål?
- Det finns ingen mycket strikt definition. Sådana definitioner behövs när du bevisar några teorem, men det finns nästan inga rigorösa teorier, därför är de huvudsakligen begränsade till figurativa begrepp, bilder. Föreställ dig att vi tog ut en boll från vårt tredimensionella utrymme i ett rum och tog ut exakt samma boll i ett annat rum och limmade de resulterande gränserna för dessa hål.
Således, när vi i ett rum går in i denna tidigare boll, som har blivit ett hål, kommer vi att dyka upp i ett annat rum - från ett hål som bildades i stället för en annan boll. Om vårt utrymme inte var tredimensionellt, utan tvådimensionellt, skulle det se ut som ett pappersark som en penna är limmad på. Den tredimensionella analogen och dess utveckling över tid kallas ett maskhål.
Hur studeras maskhål?
- Det här är en rent teoretisk aktivitet. Ingen har någonsin sett maskhål, och i allmänhet finns det ingen säkerhet att de finns alls. De började studera maskhål med utgångspunkt från frågan: finns det sådana mekanismer i naturen som skulle garantera att sådana hål inte kan existera i naturen? Dessa mekanismer hittades inte, så vi kan anta att maskhål är ett verkligt fenomen.
Är det i princip möjligt att se ett maskhål?
Kampanjvideo:
- Självklart. Om du plötsligt kryper ur ett låst rum från ingenstans, observerar du ett maskhål. Maskhål som studieobjekt uppfanns och främjades av den amerikanska teoretiska fysikern John Wheeler, som med deras hjälp ville förklara, inte mer, inte mindre - elektriska laddningar. Låt oss förklara. Att beskriva ett fritt elektriskt fält utifrån teoretisk fysik är inte en mycket svår uppgift.
Men det är mycket svårt att beskriva en elektrisk laddning från samma synvinkel. En elektrisk laddning framstår i detta avseende som en mycket mystisk sak: något ämne, separat från fältet, av okänt ursprung, och det är inte klart hur man ska hantera det i klassisk fysik. Wheelers idé var som följer. Låt oss säga att vi har ett mikroskopiskt maskhål, som är försett med kraftlinjer - från ena änden kommer dessa linjer in i det, och från den andra kommer de ut.
En yttre observatör som inte vet att dessa två ändar är förbundna med kraftlinjer, ett sådant objekt kommer att uppfatta det som en enkel sfär i rymden, kommer att undersöka fältet runt det, och det kommer att se ut som ett punktladdningsfält. Endast observatören kommer att tro att det här är ett slags mystiskt ämne som har en laddning etc. och allt eftersom han inte vet att det i själva verket är ett maskhål.
Naturligtvis är detta en väldigt elegant idé, och många har försökt utveckla den, men de har inte gjort stora framsteg, eftersom elektroner trots allt är kvantobjekt, och naturligtvis vet ingen hur man kan beskriva maskhål på kvantnivå. Men om vi antar att hypotesen är korrekt, så är maskhål mer än ett vardagligt fenomen, allt som är förknippat med elektricitet kommer i slutändan att knytas till dem.
Exotiska ämnen är ett klassiskt fysikbegrepp som beskriver något (vanligtvis hypotetiskt) ämne som bryter mot en eller flera klassiska förhållanden eller inte består av kända baryoner. Sådana ämnen kan ha sådana egenskaper som negativ energitäthet eller avvisa snarare än locka på grund av tyngdkraften. Exotiska ämnen används i vissa teorier, till exempel teorin om maskhålens struktur. Den mest kända representanten för exotiska ämnen är vakuumet i regionen med negativt tryck producerat av Casimir-effekten.
Vilken typ av maskhål finns det?
- Med tanke på teoretiska resor finns det överkomliga och omöjliga maskhål. Oöverkommliga är de genom vilka passagen förstörs, och detta händer så snabbt att inget objekt helt enkelt har tid att gå från ena änden till den andra. Naturligtvis är den andra intressanta för studien den andra typen av maskhål - överkomliga. Det finns till och med en vacker teori som säger att det vi brukade tänka på som supermassiva svarta hål i galaxernas centrum faktiskt är munnen på maskhål. Denna teori är nästan outvecklad och har naturligtvis inte hittat någon bekräftelse, den finns snarare som en slags idé. Kärnan är att utanför maskhålen ser du bara att i galaxens centrum finns ett visst sfäriskt symmetriskt föremål, men du kan inte säga vad det är - ett maskhål eller ett svart hål.eftersom du är utanför detta objekt.
De kan faktiskt endast särskiljas med en parameter - massa. Om massan visar sig vara negativ, är detta troligtvis ett maskhål, men om massan är positiv krävs ytterligare information, eftersom det svarta hålet kan visa sig vara ett maskhål. Negativ massa i allmänhet är ett av de centrala ögonblicken i hela maskhålshistorien. För att ett maskhål måste fyllas med det som kallas ett exotiskt ämne - ett ämne där åtminstone på platser, på vissa punkter, energitätheten är negativ.
På klassisk nivå har ingen någonsin sett ett sådant ämne, men vi vet säkert att det kan existera i princip. Kvanteffekter har registrerats som leder till uppkomsten av ett sådant ämne. Detta är ett ganska välkänt fenomen och det kallas Casimir-effekten. Det var officiellt registrerat. Och det är exakt kopplat till förekomsten av negativ energitäthet, vilket är mycket inspirerande.
Casimir-effekten är en effekt som består i den ömsesidiga attraktionen av att leda oladdade kroppar under påverkan av kvantfluktuationer i ett vakuum. Oftast talar vi om två parallella oladdade spegelytor som ligger på nära avstånd, men Casimir-effekten finns också för mer komplexa geometrier. Anledningen till effekten är energiförändringarna i det fysiska vakuumet på grund av konstant skapande och försvinnande av virtuella partiklar i det. Effekten förutsades av den holländska fysikern Hendrik Casimir 1948 och bekräftades senare experimentellt.
I kvantvetenskap är generellt sett negativ energitäthet en ganska vanlig sak, som till exempel Hawking-förångning förknippas med. Om en sådan täthet finns, kan vi ställa följande fråga: hur stor är massan på det svarta hålet (parametern för det gravitationella fältet skapat av det)? Det finns en lösning på detta problem som är tillämpligt på svarta hål - det vill säga objekt med en positiv massa, och det finns en lösning som är tillämplig på en negativ massa.
Om det finns tillräckligt med exotiska ämnen i maskhålen, kommer utanför massans objekt att vara negativt. Därför är en av huvudtyperna av "observation" av maskhål spårning av föremål i förhållande till vilka det kan antas att de har en negativ massa. Och om vi hittar ett sådant objekt kan vi med en ganska hög grad av sannolikhet säga att detta är ett maskhål.
Maskhål delas också in i världen och mellanvärlden. Om vi förstör tunneln mellan de två mynningarna i den andra typen av hål, kommer vi att kunna se två helt orelaterade universum. En sådan maskhål kallas intervärlden. Men om vi gör samma sak och ser att allt är bra - vi stannade kvar i samma universum - så har vi ett maskhål i världen. Dessa två typer av maskhål har mycket gemensamt, men det är också en viktig skillnad. Faktum är att maskhålet i världen, om det finns, tenderar att förvandlas till en tidsmaskin. Egentligen var det mot bakgrund av detta antagande att den sista ökningen av intresse för maskhål uppstod.
När det gäller ett maskhål i världen finns det två olika sätt att titta på en granne: direkt genom tunneln eller på rondellen. Om du börjar flytta den ena munnen på ett maskhål relativt den andra, kommer den andra personen, som återvänder från resan, att vara yngre än den återstående i enlighet med tvillingernas välkända paradox. Å andra sidan, när du tittar genom tunneln, sitter du båda i laboratorier rörliga, ur din synvinkel händer ingenting, dina klockor synkroniseras. Således har du den teoretiska möjligheten att dyka in i denna tunnel och komma ut i ett ögonblick som, från en extern observatörs synvinkel, föregår det ögonblick då du dök. Förseningen med lämplig grad kommer att ge upphov till möjligheten till en sådan cirkulär resa i rymdtid,när du återvänder till din ursprungliga utgångspunkt och skakar din tidigare inkarnations hand.
Tvillingarnas paradox är ett tankeexperiment med vilket de försöker "bevisa" inkonsekvensen i den speciella relativitetsteorin. Enligt SRT, med tanke på "stationära" observatörer, saknar alla processer med rörliga föremål. Å andra sidan förklarar relativitetsprincipen jämställdheten hos tröghetsramar. På grundval av detta bygger resonemang, vilket leder till en uppenbar motsägelse. För tydlighetens skull betraktas historien om två tvillingbröder. En av dem (resenären) åker på en rymdfärd, och den andra (vistelse-hemma) förblir på jorden. Oftast formuleras "paradoxen" enligt följande:
Ur en soffpotatis synvinkel har en rörlig resenärs klocka en långsam tid, så när den återvänder ska den hålla sig bakom en soffapotats klocka. Å andra sidan rörde jorden sig i förhållande till resenären, så homebodens klocka borde ligga bakom. I själva verket är bröderna lika, därför, efter att ha återvänt, bör deras klockor visa samma tid. Enligt SRT kommer dock resenärens klocka att ligga efter. Denna kränkning av brödernas uppenbara symmetri ses som en motsägelse.
Vad är den grundläggande skillnaden mellan ett maskhål och ett svart hål?
- Först av allt måste jag säga att det finns två typer av svarta hål - de som bildades som ett resultat av stjärnornas kollaps, och de som fanns ursprungligen, uppstod med uppkomsten av själva universumet. Dessa är två grundläggande olika typer av svarta hål. En gång fanns det ett sådant begrepp som "vitt hål", nu används det sällan. Ett vitt hål är samma svarta, men utvecklas bakåt i tiden. Materiet flyger bara in i ett svart hål, men det kan aldrig fly därifrån. Från ett vitt hål, tvärtom, materien flyger bara ut, men du kan inte komma in på det på något sätt. I själva verket är detta en mycket naturlig sak om vi kommer ihåg att den allmänna relativitetsteorin är symmetrisk i tid, vilket innebär att om det finns svarta hål, måste vita hål också existera. Deras totalitet är ett maskhål.
Vad är känt om den inre strukturen i maskhål?
- Hittills är det i denna mening bara modeller som byggs. Å ena sidan vet vi att utseendet på denna exotiska materia kan ha upptäckts till och med experimentellt, och att det fortfarande finns många frågor. Den enda modellen av ett maskhål som är känt för mig och som är mer eller mindre förenligt med verkligheten är modellen av ett ursprungligt förångande (sedan universums början) maskhål. På grund av denna förångning förblir ett sådant hål acceptabelt under lång tid.
Vad exakt arbetar du med?
- Jag är engagerad i rent teoretisk aktivitet, det som i allmänhet kan kallas rymdtidens kausalstruktur är den klassiska relativitetsteorin, ibland semiklassisk (som du vet, kvantitet existerar inte ännu).
I den klassiska icke-relativistiska teorin kan man komma med tillräckligt övertygande bevis för att det inte kan finnas någon tidsresa, men det finns inga sådana bevis i GR. Och Einstein, när han just utvecklade sin teori, var medveten om detta. Han undrade om det fanns något sätt att utesluta denna möjlighet. Sedan hanterade han inte denna uppgift, som han själv senare sa. Även om Einstein skapade ett språk för att studera denna fråga, förblev uppgiften akademisk. Intresset för det exploderade i slutet av 1940-talet när Gödel föreslog en kosmologisk modell som innehåller sådana slutna kurvor.
Men eftersom Gödel alltid erbjöd något exotiskt, reagerade de på detta med intresse, men utan allvarliga vetenskapliga konsekvenser. Och sedan i slutet av förra seklet, främst tack vare science fiction - till exempel filmen "Kontakt" med Jodie Foster - återupplivades intresset för ämnet tidsresor med hjälp av maskhål igen. Författaren till romanen, enligt vilken manuskriptet för filmen skrevs, är en mycket berömd astronom, populariserare av vetenskapen Carl Sagan.
Han närmade sig frågan mycket allvarligt och bad sin vän, också en mycket berömd relativist, Kip Thorne, se om allt som beskrivs i filmen var möjligt ur vetenskapens synvinkel. Och han publicerade en halvpopulär artikel i tidskriften för amerikanska fysiklärare "Wormholes as a tool for study the General Theory of Relativity", där han övervägde möjligheten till tidsresor genom maskhål.
Och jag måste säga att då inom science fiction var idén att resa genom svarta hål populär. Men han förstod att ett svart hål är ett absolut ogenomträngligt föremål - resor genom dem är omöjligt, så han ansåg maskhål som en möjlighet till tidsresa. Även om detta var känt tidigare, men av någon anledning tog människor hans slutsatser som en helt ny idé och skyndade sig att undersöka det. Dessutom låg tonvikten på antagandet att en tidsmaskin inte kan existera, men vi beslutade att ta reda på varför. Och ganska snabbt blev det klart att det inte fanns några uppenbara invändningar mot existensen av en sådan maskin. Sedan dess har studier i större skala börjat och teorier börjat dyka upp. Generellt sett har jag gjort det också sedan dess.
"Kontakt" är en sci-fi-film från 1997. Regisserad av Robert Zemeckis. Huvudplott: Ellie Arroway (Judy Foster) ägnade hela sitt liv åt vetenskap, hon blir deltagare i ett projekt för att söka efter utomjordisk intelligens. Alla försök att söka efter utomjordiska signaler är fruktlösa och framtiden för hennes projekt står på spel. Ellie är desperat efter att hitta stöd, men får oväntat hjälp av den excentriska miljardären Hadden. Och här är resultatet - Ellie tar upp signalen. Signalavkodning visar att den innehåller en beskrivning av den tekniska enheten. Syftet är inte klart, men en plats för en person planeras inuti.
Efter skapandet och lanseringen av enheten pågår Ellie en resa genom maskhålssystemet och transporteras, antagligen till en planet i ett annat stjärnsystem. Vakna upp där, vid stranden, möter hon en företrädare för en annan civilisation, som valde bilden av sin sena far. När hon tittar omkring inser hjältinnan att detta område har återskapats av ett främmande sinne i hennes sinne i bilden av en teckning hon ritade i barndomen. Utlänningen berättar för henne att enheten tillåter dig att organisera ett system med interstellära kommunikationsvägar, och jorden från och med nu blir medlem av samhällets civilisationer i universum.
Ellie återvänder till jorden. Från synen på utsatta observatörer, efter installationen, hände ingenting henne, och hennes kropp lämnade inte vår planet. Ellie befinner sig i en paradoxal situation. Som vetenskapsman kan hon inte på något sätt bekräfta sina ord från strikt vetenskap. En ytterligare omständighet avslöjas också: videokameran kopplad till Ellie under resan spelade inte in något, men varaktigheten för den tomma inspelningen var inte några sekunder, utan 18 timmar …
Är det möjligt att "göra" ett maskhål?
- Bara om det finns det ett strikt vetenskapligt resultat. Detta beror på att det inte finns några exakta resultat på studiet av maskhål. Det finns ett bevis som bevisats för länge sedan, och det säger följande. Det finns något som global hyperbolicitet. I det här fallet spelar det ingen roll vad det betyder, men poängen är att medan och eftersom rymden globalt är hyperbolisk, är det omöjligt att skapa ett maskhål - det kan existera i naturen, men det kommer inte att fungera för att göra det själv.
Om du lyckas bryta den globala hyperboliciteten kan du kanske skapa ett maskhål. Men faktum är att denna kränkning i sig är en sådan exotisk sak, så dåligt studerade och dåligt förstått att biverkningen av födelsen av ett maskhål redan är en relativt liten sak jämfört med det faktum att du lyckades kränka den globala hyperboliciteten.
En mycket berömd sak äger rum här, kallad "principen för strikt kosmisk censur", som säger att rymden alltid är globalt hyperbolisk. Men detta är i princip inget annat än en önskan. Det finns inga bevis på riktigheten av denna princip, det finns bara ett visst inre förtroende hos många människor att rymdtid bör vara globalt hyperbolisk. I så fall är det omöjligt att skapa ett maskhål - du måste leta efter en befintlig. Samtidigt uttrycktes allvarliga tvivel om trovärdigheten i principen om kosmisk censur av författaren själv - Roger Penrose, men det är en annan historia.
Det vill säga att för att skapa ett maskhål krävs några allvarliga energikostnader?
- Det är väldigt svårt att säga något här. Problemet är att när din globala hyperbolicitet kränks, samtidigt som förutsägbarheten kränks - detta är praktiskt taget samma sak. Du kan på något sätt geometriskt ändra utrymmet runt dig, till exempel ta en påse och lägga den på en annan plats. Men det finns vissa gränser inom vilka du kan göra detta, särskilt gränsen som förutses av förutsägbarhet. Ibland kan du till exempel säga vad som kommer att hända på 2 sekunder och ibland inte. Randen till vad du kan eller inte kan förutsäga ligger exakt i den globala hyperboliciteten. Om din rymdtid globalt är hyperbolisk kan du förutsäga dess utveckling.
Om vi antar att det någon gång bryter mot den globala hyperboliciteten, blir allt mycket dåligt med förutsägbarhet. Därför uppstår en fantastisk sak, till exempel så att just här och nu kan ett maskhål uppstå genom vilket ett lejon hoppar ut. Det kommer att vara ett exotiskt fenomen, men det kommer inte att bryta mot fysiklagar. Å andra sidan kan du spendera mycket ansträngning, pengar och resurser för att på något sätt underlätta denna process. Men resultatet kommer fortfarande att vara detsamma - i båda fallen vet du inte om ett maskhål visas eller inte. I klassisk fysik kan vi inte göra någonting åt det - om det vill, kommer det, det vill inte det, det kommer inte att uppstå - kvantvetenskap ger oss inga ledtrådar i den här saken än.
Principen om "kosmisk censur" formulerades 1969 av Roger Penrose i följande figurform: "Naturen avskyr en naken singularitet." Det sägs att rymdtidssymboler förekommer på platser som, liksom de inre regionerna i svarta hål, är dolda för observatörer. Denna princip har ännu inte bevisats, och det finns skäl att tvivla på dess absoluta korrekthet (till exempel kollapsen av ett dammmoln med ett stort vinkelmoment leder till en "naken singularitet", men det är inte känt om denna lösning av Einsteins ekvationer är stabil med avseende på små störningar av de ursprungliga uppgifterna).
Penroses formulering (en stark form av kosmisk censur) antyder att rymdtiden som helhet är globalt hyperbolisk.
Senare föreslog Stephen Hawking en annan formulering (en svag form av kosmisk censur), där endast den globala hyperboliciteten för den "framtida" komponenten i rymdtid antas.
Olga Fadeeva