Дали астронавтите ще преживеят междузвездно пътуване през червейна дупка?

В космическата опера Interstellar астронавтите, които се стремят да спасят човечеството, са намерили спасителен живот: червейна дупка, която мистериозно се е появила до Сатурн. Тунелът през космическото време води до далечна галактика и възможността да се намерят обитаеми планети, които хората могат да колонизират. Червейната дупка на филма е базирана на истинска физика от пенсионирания професор от CalTech Кип Торн, астрофизически пионер, който също помогна на Карл Сагън да проектира своята червена дупка за романа Контакт . Визуализациите са зашеметяващи и са приветствани като някои от най-точните симулации на червейни дупки и черни дупки във филма. Но има един аспект на потъването в междузвезден експрес, който филмът не адресира: Как оцелявате в пътуването?

Свързано съдържание

• Стивън Хокинг мисли, че можем да разрешим основна мистерия с черна дупка с косата
• Физиците построиха дупка за червей за магнити
• Защо „Интерстелар“ принадлежи в пантеона на най-добрите „реалистични“ филми за научна фантастика
• Най-близкото нещо в реалния живот до книгата за червеите на Myst

Въпреки че не го нарекоха такъв, първоначалният дупка на духа беше дечицата на Алберт Айнщайн и неговия асистент Натан Розен. Те се опитваха да разрешат уравненията на Айнщайн за обща относителност по начин, който в крайна сметка ще доведе до чисто математически модел на цялата Вселена, включително гравитацията и частиците, които съставляват материя. Опитът им включваше описване на пространството като два геометрични листа, свързани чрез "мостове", които ние възприемаме като частици.

Друг физик, Лудвиг Фламм, е открил независимо мостове през 1916 г. в своето решение на уравненията на Айнщайн. За съжаление за всички тях тази „теория на всичко“ не се получи, защото теоретичните мостове в крайна сметка не се държаха като истински частици. Но книгата на Айнщайн и Росен от 1935 г. популяризира концепцията за тунел през тъканта на космическото време и накара други физици да мислят сериозно за последиците.

Физикът от Принстън Джон Уилър измисли термина "червей" през 60-те години на миналия век, когато проучваше моделите на мостовете на Айнщайн-Розен. Той отбеляза, че мостовете са близки до дупките, които червеите пробиват през ябълки. Мравка, пълзяща от едната страна на ябълката до друга, може или да се наклони по цялата си извита повърхност, или да направи пряк път през тунела на червея. А сега си представете, че нашето триизмерно космическо време е кожата на ябълка, която се извива около по-високо измерение, наречено „по-голямата част“. Мостът на Айнщайн-Розен е тунел през по-голямата част, който позволява на пътниците да поемат бърза лента между две точки в пространството. Звучи странно, но е законно математическо решение на общата относителност.

Уилър осъзна, че устните на мостовете на Айнщайн-Розен лесно съвпадат с описания на това, което е известно като черна дупка на Шварцшилд, обикновена сфера на материята, толкова плътна, че дори светлината не може да избяга от нейното гравитационно издърпване. Ах-ха! Астрономите вярват, че черните дупки съществуват и се образуват, когато сърцевините на изключително масивни звезди се срутят върху себе си. Може ли черните дупки също да са червейни дупки и по този начин шлюзи за междузвездно пътуване? Математически погледнато, може би - но никой не би оцелял от пътуването.

В модела на Шварцшилд, тъмното сърце на черна дупка е сингулярност, неутрална, неподвижна сфера с безкрайна плътност. Уилър изчисли какво би се случило, ако се роди дупка на червей, когато две особености в отдалечени части на Вселената се сливат в по-голямата част, създавайки тунел между черните дупки на Шварцшилд. Той откри, че подобен червей е по своята същност нестабилен: тунелът се образува, но след това се свива и прищипва, оставяйки ви още веднъж само с две особености. Този процес на растеж и свиване се случва толкова бързо, че дори и светлината не го прокарва през тунела, а астронавт, който се опитва да премине, би срещнал особеност. Това е внезапна смърт, тъй като огромните гравитационни сили биха разкъсали пътешественика.

„Всичко или всеки, който се опита да пътува, ще бъде унищожен в принуда!“ Торн пише в придружителната си книга към филма „Науката за междузвездието“ .

Науката за междузвездието

Amazon.com: The Science of Interstellar (9780393351378): Кип Торн, Кристофър Нолан: Книги

Има алтернатива: въртяща се черна дупка на Кер, което е друга възможност в общата относителност. Сингулярността в черната дупка на Kerr е пръстен за разлика от сфера, а някои модели предполагат, че човек би могъл да оцелее при пътуването, ако премине спретнато през центъра на този ринг като баскетбол през обръч. Торн обаче има редица възражения срещу това понятие. В документ от 1987 г. за пътуване през червейна дупка той отбелязва, че гърлото на червейна дупка Kerr съдържа област, наречена хоузой на Коши, която е много нестабилна. Математиката казва, че щом нещо, дори светлина, се опитва да премине този хоризонт, тунелът се срива. Дори ако червейът може по някакъв начин да бъде стабилизиран, квантовата теория ни казва, че вътрешността трябва да бъде наводнена с високоенергийни частици. Стъпнете в червена дупка на Kerr и ще бъдете пържени до хрупкава.

Номерът е, че физиката все още не трябва да ожени класическите правила на гравитацията с квантовия свят, неуловим бит на математиката, който много изследователи се опитват да определят. В един обрат на картината Хуан Малдасена от Принстън и Леонард Сускинд от Станфорд предложиха дупки на червеите да са като физическите прояви на заплитане, когато квантовите обекти са свързани, независимо колко далеч са един от друг.

Айнщайн известно описва оплитането като „призрачно действие на разстояние“ и устоява на тази идея. Но много експерименти ни казват, че заплитането е реално - вече се използва в търговската мрежа за защита на онлайн комуникациите, като например банкови транзакции. Според Малдацена и Сускинд големи количества при заплитане променят геометрията на пространството и могат да доведат до дупки под формата на заплетени черни дупки. Но тяхната версия не е междузвезден шлюз.

„Те са червейни дупки, които не ви позволяват да пътувате по-бързо от светлината“, казва Малдасена. "Въпреки това, те могат да ви позволят да срещнете някого отвътре, с малкото предупреждение, че двамата след това ще умрат при гравитационна сингулярност."

ОК, така че черните дупки са проблем. Каква тогава може да бъде червейна дупка? Ави Льоб от Центъра за астрофизика в Харвард-Смитсониън казва, че нашите възможности са широко отворени: „Тъй като все още нямаме теория, която надеждно да обединява общата относителност с квантовата механика, ние не знаем за целия зоопарк от възможни космически времеви структури, които биха могли да се настанят. червейни дупки ".

Все още има закачалка. В своята работа от 1987 г. Торн открива, че всеки тип червей, който е в съответствие с общата относителност, ще се срине, освен ако не бъде подпрян от това, което нарича "екзотична материя" с отрицателна енергия. Той твърди, че имаме доказателства за екзотична материя благодарение на експерименти, показващи как квантовите колебания във вакуум изглежда създават отрицателно налягане между две огледала, поставени много близо една до друга. И Льоб смята, че нашите наблюдения върху тъмната енергия са допълнителни намеци, че може да съществува екзотична материя.

"Наблюдаваме, че през новата космическа история галактиките бягат от нас със скорост, която се увеличава с времето, сякаш са били въздействани от отблъскваща гравитация", казва Льоб. "Това ускорено разширяване на Вселената може да се обясни, ако Вселената е изпълнена с вещество, което има отрицателно налягане ... точно като материала, необходим за създаването на червей." И двамата физици обаче са съгласни, че ще ви е необходима твърде много екзотична материя, за да може някоя червейна дупка да се образува по естествен начин и само една високо напреднала цивилизация би могла да се надява да събере достатъчно количество неща, за да стабилизира червей.

Но другите физици не са убедени. „Смятам, че стабилна, преместваема дупка на дупки би била много объркваща и изглежда несъвместима със законите на физиката, които познаваме“, казва Малдасена. Сабине Хосенфелдер от Северния институт за теоретична физика в Швеция е още по-скептична: "Ние имаме абсолютно нулева индикация, че това съществува. Всъщност широко се смята, че не може да съществува, тъй като ако вакуумът беше нестабилен." Дори да е била налична екзотична материя, пътуването през нея може да не е много хубаво. Точните ефекти ще зависят от кривината на пространството във времето около дупката и плътността на енергията вътре, казва тя. "Почти е както при черните дупки: твърде много приливни сили и се разкъсвате."

Въпреки връзките си с филма, Торн също е песимистичен, че е възможно дори преминаваща дупка на червей, много по-малко оцеляваща. "Ако те могат да съществуват, много се съмнявам, че те могат да се образуват естествено в астрофизичната вселена", пише той в книгата. Но Торн оценява, че Кристофър и Йона Нолан, които написаха Interstellar, бяха толкова желаещи да разкажат история, която е основана на науката.

„Историята по същество е изцяло на Крис и Йона“, каза Торн пред Wired в ексклузивно интервю. „Но духът на него, целта да има филм, в който науката да е вградена в тъканта от самото начало - и това е велика наука, - която беше запазена.“