Червоточины и машины времени

Червоточина. Вступление

«Время — это огонь, в котором мы все сжигаем», — говорит персонаж фильма «Звездный путь».Червоточины

Эта цитата захватывает, что время имеет на наше воображение. Время, особенно увлекательная и философски непростая проблема путешествий во времени, было обычной темой научной фантастики со времен классической истории Г. Г. Уэллса . Способность манипулировать временем остается за пределами нашего понимания, но в последнее десятилетие физики провели замечательное исследование времени, которое снова подводит нас к передовым рубежам физики.

Отделение времени от пространства было частью физического мышления, по крайней мере, с эпохи Галилея.

Уравнения, которые физики используют для описания природы, симметричны во времени. Они не различают время, бегущее вперед, и время, бегущее назад. Фильм частиц пыли, плавающих в солнечном луче, выглядел бы по существу одинаково бегом вперед или назад. Если проекционист запустит обычный фильм в обратном направлении, вы заметите это немедленно.

  • Где возникает разница, «стрела времени»?
  • Почему мы стареем от подросткового до среднего возраста, а не наоборот?
  • Это прогрессия неизменна?

Новые подходы к размышлению о времени возникли из-за нового мышления о связанности пространства и из-за желания сделать фильм, который, помимо прочего, мог бы исследовать вопросы науки и веры.

Червоточины

Эта конкретная атака на путешествия во времени возникла из произведения научной фантастики. Карл Саган задумал фильм, который, помимо других изобретательских идей, вызовет быстрое путешествие по Галактике. Фильм остановился, и Саган первым обратился к написанию романа. Роман имел большой успех, и фильм окончательно вышел из производства.

Фильм также имел большой успех, но Саган скончался от болезни, связанной с лейкемией, прежде чем был выпущен.

В первоначальном проекте своего романа « Соприкосновение» Саган писал о способе межзвездного путешествия, созданного древней внеземной цивилизацией. Он имел в виду, что его проход был черной дырой, в которой можно было лететь за горизонт событий и появляться — в другом месте. 

Саган отправил черновик книги Кипу Торну , физику из Калифорнийского технологического института и одному из мировых экспертов по черным дырам. Торн написал свою личную версию этой истории в книге « Черные дыры и временные перекосы: возмутительное наследие Эйнштейна» . Торн понял, что то, что предложил Саган, не сработает.

Торн предложил решение с другой физикой и большим воображением!

Уравнения Эйнштейна для черной дыры действительно описывают проход между двумя вселенными или между двумя частями одной и той же вселенной: структура, называемая мостом Эйнштейна-Розена , или, на более простом языке, червоточина . Это еще одна фраза, придуманная физиком-мастером слова Джоном А. Уилером . Эксперты по черной дыре десятилетиями знали, что кажущаяся червоточина представляет собой только один момент во времени в решении Шварцшильда для двух вселенных для невращающейся черной дыры, описанной в главе 9 (раздел 8.2).

Прямо перед этим моментом или сразу после него нет прохода, только ужасная пасть сингулярности, ожидающая уничтожения всего, что попадало в горизонт событий. Для бесстрашного исследователя, который пытался мчаться со скоростью, меньшей скорости света через червоточину, в тот момент, когда она открылась, червячная дыра захлопнулась. Исследователь будет пойман в ловушку и втянут в единственность .

В принципе, Саган мог вызвать вращающуюся черную дыру Керра, в которой есть возможность путешествовать через внутреннее «нормальное» пространство, где приливные силы меньше бесконечности, если избегать сингулярности и затем выходить в другую Вселенную, как описано в Главе 9, Раздел 8.2.

Этот проход мог быть захвачен синим листом падающего звездного света. В любом случае Торн следовал другим путем. С дальнейшими размышлениями Торн понял, что может быть другой подход.Предположим, он рассуждал, что вы имеете дело с очень продвинутой цивилизацией, которая может создать все, что не запрещено законами физики.

Торн придумал решение, которое было бы странным и маловероятным, но не могло быть исключено известными в настоящее время законами физики. Его решение заключалось в том, что он назвал экзотической материей .


Обычное вещество имеет конечную энергию и оказывает конечное давление и создает нормальное, тянущее гравитационное поле. Однако математически можно представить, что вещество имеет отрицательную энергию и оказывает отрицательное давление, например, натяжение резиновой ленты.

Для экзотической материи это натяжение находится на таком экстремальном уровне, что энергия натяжения больше, чем энергия остальной массы, E = Mc 2 , резиновой ленты.

Такой материал обладает свойством, которое можно было бы назвать « антигравитацией» . В то время как обычная материя выталкивает наружу под давлением и тянет внутрь под действием силы тяжести, экзотическая материя тянет внутрь под действием своего натяжения и выталкивает наружу под действием силы тяжести. Примечательно, что связанные вещи стали важной темой в космологии, как описано в главе 12.

Космологи описывают инфляционную стадию, происходящую через доли секунды после большого взрыва, когда Вселенная претерпевала быстрое расширение, что привело к ее нынешним размерам и плавности. Условие, которое, как предполагается, вызывает инфляцию, представляет собой некую форму отрицательного энергетического поля, которое будет иметь отрицательное давление, которое оказывает давление на нормальную гравитацию, что приводит к быстрому расширению. 

Предполагается, что после короткого интервала гиперасширения это поле затухает, оставляя то, что мы сегодня считаем нормальным вакуумом с его небольшой, но ненулевой плотностью энергии квантового вакуума. Другая версия этих идей возникает в контексте современной, очевидно ускоряющейся Вселенной, представленной в главе 12.

Если Вселенная ускоряет свое расширение, в ней должно быть что-то, кроме гравитирующей материи, какая-то квантовая энергия вакуума, которая антигравитирует, Темная энергия . Торн не пытался объяснить природу экзотической материи. В самом общем смысле, однако, экзотическая материя, необходимая для создания червячных дыр, разделяет некоторые отталкивающие свойства инфляционной энергии и Темной энергии .

Поскольку он не был запрещен физикой и даже мог быть частью физики, Торн предположил, что развитая цивилизация может нанести часть этого экзотического вещества на минометную доску, взять шпатель и что-то с ним сделать. Умело примененный, отталкивающая природа антигравитации экзотического цемента могла держать мост Эйнштейна-Розена неопределенно долго!

Торн открыл, по крайней мере, концептуально, путь за короткий промежуток времени через гиперпространство из одного места в Галактике.

Результатом стало бы быстрое прохождение света через червоточину , всего лишь механизм, который Саган хотел продвинуть в своем заговоре. Саган принял основную идею Торна и описал такую ​​червоточину в книге, которая пошла в печать.

Передав основную идею Сагану, Торн оставался глубоко заинтригованным. Он продолжал работать над этой идеей со студентами, и вместе они опубликовали ряд работ, показывающих, что правильное расположение экзотической материи может привести к стабильной, постоянной червоточине. 

Соблазнительно спросить, как будет выглядеть червоточина. Червячная дыра не обязательно будет выглядеть черной , как черная дыра, хотя внешняя структура их геометрии пространства-времени была похожа. У черной дыры есть горизонт событий, из которого ничто не может вырваться.

Тем не менее, вы можете видеть и путешествовать через червячное отверстие. В своей простейшей форме червоточина может показаться сферической снаружи, то есть все подходы со всех сторон будут выглядеть одинаково. Если вы пройдете через него, вы направитесь прямо к центру сферического пространства. Не меняя направления своего распространения, вы в конечном итоге окажетесь вдали от центра, чтобы оказаться в другом месте.

Червячная дыра не является буквально туннелем в обычном смысле этого слова со стенами, к которым можно прикоснуться, но внутри сферической червоточины перспектива будет похожа на туннель.Вы сможете увидеть свет, поступающий из нормального пространства на любом конце червоточины. Вид сбоку, однако, показался бы странно ограниченным. 

Пространство червоточины глубоко искривлено. Свет, направленный в любом направлении, «перпендикулярном» радиусу через центр червячного отверстия, будет распространяться прямо в локальном пространстве, но в конечном итоге возвращается туда, где он начинался, как линия, проведенная вокруг поверхности сферы, только в трехмерном пространство.

Если вы столкнулись в червоточине с боком, вы, в принципе, могли бы видеть затылок. На практике свет может быть искажен, а ваш взгляд очень размытым. Эффект может выглядеть как ореол света вокруг вас, который отличает «боковое» направление от прямого через центр червячного отверстия. На рисунке 13.1 показано, как это может выглядеть для вас, когда вы освещаете фонарик внутри червоточины.

Распространенным заблуждением является смешение туннельных аспектов червоточины с воронкообразной диаграммой, которую физики используют для создания двумерного представления, диаграммы вложения реального трехмерного пространства вокруг черной дыры или червоточины. , На двумерной диаграмме вложенности окружность в двумерном пространстве является аналогом сферы в трехмерном пространстве.

Реальное искривленное пространство вокруг трехмерного червячного отверстия представлено в двух измерениях растянутым двумерным пространством, которое напоминает воронку, как это было для черной дыры, как обсуждалось в главе 9 . В этом двумерном аналоге вы не можете пройти через то, что мы воспринимаем как устье воронки. Это трехмерное гиперпространство в двумерном аналоге.

Вы должны вообразить, как паук ползет по поверхности двухмерного пространства, чтобы получить истинное значение природы этого пространства и некоторого ощущения трехмерной реальности.Вариант этого двумерного аналога червячной дыры показан на рисунке 13.2 . Червячное отверстие на рис. 13.2 соединяет две разные части открытой вселенной в форме седла.

Можно также изобразить червоточину, прорезавшую сферу в двумерной аналогии замкнутой вселенной. Сложнее изобразить на иллюстрации, но червячные отверстия могут также обеспечить такие сокращения в плоском пространстве. Если они правильно спроектированы, червоточины могут, в принципе, дать сколь угодно короткий путь между сколь угодно далекими пространствами нормального пространства в любой вселенной.

Некоторые фильмы и телевизионные программы основаны на этих современных представлениях о червоточинах, но все еще существует тенденция путать фактическую туннельоподобную природу с двумерным воронкообразным аналогом. В первом фильме «Звездный путь» «Энтерпрайз» попадает в червоточину, когда он прыгает в варп-диск слишком рано после ухода с Земли. Вы можете увидеть звезды по бокам червоточины. Это определенно неправильно.

Свет от звезд может попасть в конец червоточины, в которую проникло «Энтерпрайз», или через противоположный конец, к которому направляется корабль. Однако внутри червоточины свет застревает из-за сильной кривизны пространства. Там нет буквальной стены туннеля; следовательно, Кирк и его команда не могут смотреть сквозь него.

Телесериал « Вавилон 5» имеет «построенную» червоточину, но его водоворотоподобная природа больше напоминает двумерную аналогию, чем собственное проявление в реальном пространстве. В Deep Space 9 к червоточине можно приблизиться с любого направления, а туннель-подобный интерьер настолько близок к «реальности», насколько можно ожидать от графических дизайнеров, обращающихся к телевизионной аудитории.

Слайдеры также довольно хорошо понимают, что червоточина в основном сферическая, поэтому персонажи могут входить и выходить где угодно в трех измерениях. Фильм « Звездные врата» и основанная на нем телевизионная программа показывают, что портал с червоточиной представляет собой единый плоский круглый лист.

Читайте Продолжение , кнопка Next ниже.

Add a Comment

Войти с помощью: 

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *