Wormhole: istorie, teorie, tipuri, instruire, călătorie în timp

O gaură de vierme, în astrofizică și cosmologie, este un pasaj care unește două puncte în structura spațiului. Așa cum mărul care se încadrează inspiră teoria gravitației lui Isaac Newton în 1687, viermii care perforează merele au inspirat noi teorii, de asemenea, în cadrul gravitației.

Așa cum viermele reușește să ajungă într-un alt punct de pe suprafața blocului printr-un tunel, găurile de vierme spațio-temporale sunt comenzi rapide teoretice care permit o deplasare în locuri mai îndepărtate din univers în mai puțin timp.

Este o idee care a capturat și continuă să surprindă imaginația multora. Între timp, cosmologii sunt ocupați să caute modalități de a-și dovedi existența. Dar, în momentul de față, acestea sunt încă obiectul speculațiilor.

Pentru a ajunge mai aproape de înțelegerea găurilor de vierme, de posibilitatea de a călători în timp prin ele și de diferențele care există între găurile de vierme și găurile negre, trebuie să ne plasăm în conceptul de spațiu.

Ce este spațiu?

Conceptul de spațiu-timp este strâns legat de cel al gaurii de vierme. De aceea este necesar să se stabilească mai întâi ce este și care este principala sa caracteristică.

Spacetime este locul unde are loc fiecare eveniment din univers. Și universul, la rândul său, este totalitatea spațiului-timp, capabil să găzduiască toate formele de materie-energie și mai mult ...

Când prietenul își întâlnește prietena este un eveniment, dar acest eveniment are niște coordonate spațiale: locul întâlnirii. Și o coordonare temporală: anul, luna, ziua și ora întâlnirii.

Nașterea unei stele sau explozia unei supernove sunt, de asemenea, evenimente care au loc în spațiu-timp.

Acum, într-o regiune a universului lipsită de masă și de interacțiuni, timpul spațial este plat. Aceasta înseamnă că două raze de lumină care încep paralel continuă astfel, atâta timp cât rămân în această regiune. Apropo, pentru o rază de lumină, timpul este etern.

Desigur, spațiul spațial nu este întotdeauna plat. Universul conține obiecte care au o masă care modifică spațiul-timp, generând curbură spațio-temporală pe o scară universală.

Însuși Albert Einstein însuși și-a dat seama, într-un moment de inspirație, că el a numit "cea mai fericită idee din viața mea", că un observator accelerat nu poate fi distins la nivel local de cineva care este aproape de un obiect masiv. Este faimosul principiu al echivalenței.

Și un observator accelerat curbează spațiu-timp, adică geometria euclidiană nu mai este valabilă. Prin urmare, în mediul unui obiect masiv, cum ar fi o stea, o planetă, o galaxie, o gaură neagră sau universul în sine, spațiul și timpul sunt curbate.

Această curbură este percepută de ființele umane ca o forță numită gravitate, dar în același timp și misterioasă.

Gravitatea este la fel de enigmatică ca forța care ne împinge înainte, când autobuzul pe care îl călătorim se oprește brusc. Este ca și cum brusc ceva invizibil, întunecat și masiv, pentru un moment stătea în fața noastră și ne-a atras, împingându-ne brusc înainte.

Planeta se mișcă în formă eliptică în jurul Soarelui, deoarece masa acesteia produce o depresiune în suprafața spațială-timp care determină ca planetele să-și curbeze traiectoriile. O rază luminată își curbează de asemenea traiectoria după depresiunea spațială-timp produsă de Soare.

Tuneluri prin spațiu - timp

Dacă spațiul-timp este o suprafață curbată, în principiu nimic nu împiedică o zonă să se conecteze cu altul printr-un tunel. Călătoria printr-un tunel ca acesta ar implica nu numai schimbarea locurilor, ci și posibilitatea de a merge în alt moment.

Această idee a inspirat numeroase cărți, serii și filme de science fiction, printre care celebrul serial american din anii șaizeci "Tunelul timpului" și, mai recent, "Deep Space 9" din franciza Star Trek și filmul Interstellar 2014.

Ideea a venit din partea aceluiași Einstein, care căuta soluții la ecuațiile câmpului relativității generale, găsită împreună cu Nathan Rosen o soluție teoretică care permitea conectarea a două regiuni diferite de spațiu-timp printr-un tunel care a lucrat ca o comandă rapidă.

Această soluție este cunoscută sub numele de podul Einstein-Rosen și apare într-o lucrare publicată în 1935.

Cu toate acestea, termenul "gaura de vierme" a fost folosit pentru prima data in 1957, datorita fizicilor teoreticieni John Wheeler si Charles Misner intr-o publicatie in acel an. Anterior au fost discutate despre "tuburi unidimensionale" pentru a se referi la aceeași idee.

Mai târziu, în 1980, Carl Sagan scria romanul science-fiction "Contact", o carte din care a fost realizat mai târziu un film. Protagonistul pe nume Elly descoperă o viață extraterestră inteligentă, la 25 de mii de ani lumină distanță. Carl Sagan dorea ca Elly să călătorească acolo, dar într-un mod care să fie credibil din punct de vedere științific.

Călătoria de 25 de mii de ani lumină distanță nu este o sarcină ușoară pentru un om, decât dacă se caută o scurtătură. O gaură neagră nu poate fi o soluție, deoarece atunci când se apropie de singularitate, gravitatea diferențială va rupe nava și echipajul său.

În căutarea altor posibilități, Carl Sagan a consultat unul dintre principalii experți în domeniul găurilor negre ale vremii: Kip Thorne, care a început să se gândească la această problemă și și-a dat seama că podurile sau găurile de vierme Einstein-Rosen Wheelers au fost soluția.

Cu toate acestea, Thorne a observat, de asemenea, că soluția matematică este instabilă, adică se deschide tunelul, dar într-un timp scurt se strangulează și dispare.

Instabilitatea găurilor de vierme

Este posibil să folosiți găuri de vierme pentru a călători distanțe mari în spațiu și timp?

De când au fost concepute, găurile de vierme au servit în numeroase loturi science fiction pentru a-și lua protagoniștii în locuri îndepărtate și a experimenta paradoxurile timpului neliniar.

Kip Thorne a găsit două soluții posibile pentru problema instabilității găurilor de vierme:

• Prin așa numita spumă cuantică . La scara Planck (10-35 m) există fluctuații cuantice capabile să conecteze două regiuni ale timpului spațial prin microtunele. O civilizație ipotetică foarte avansată ar putea găsi o cale de a lărgi pasajele și de a le păstra suficient de lungi pentru ca un om să treacă.
• Materie de masă negativă. Conform calculelor publicate în 1990 de către Thorne însuși, ar fi nevoie de cantități enorme din această chestiune ciudată pentru a ține capetele găurii de vierme deschise.

Lucrul remarcabil al acestei ultime soluții este că, spre deosebire de găurile negre, nu există niciun fel de singularitate sau fenomene cuantice, iar trecerea oamenilor prin acest tip de tunel ar fi fezabilă.

În acest fel, găurile de vierme vor permite nu numai conectarea regiunilor îndepărtate în spațiu, ci și separarea în timp. Prin urmare, ele sunt mașini pentru a călători în timp.

Stephen Hawking, marea referire la cosmologia de la sfârșitul secolului al XX-lea, nu credea gânduri fezabile sau găuri de vierme sau mașini de timp, datorită multor paradoxuri și contradicții care i-au apărut.

Aceasta nu a diminuat spiritele altor cercetători, care au sugerat posibilitatea ca două găuri negre în diferite zone ale spațiului-timp, să fie conectate intern de o gaură de vierme.

Deși acest lucru nu ar fi practic pentru călătoriile în spațiu, pentru că, în afară de necazurile care ar duce la intrarea în singularitatea găurii negre, nu va mai exista posibilitatea de a părăsi celălalt capăt, deoarece este o altă gaură neagră.

Diferențele dintre găurile negre și găurile de vierme

Când vorbești despre o gaură de vierme, te gândești imediat și la găuri negre.

O gaură neagră se formează în mod natural, după evoluția și moartea unei stele care are o anumită masă critică.

Apare după ce steaua își epuizează combustibilul nuclear și începe să se contracte ireversibil datorită propriei sale forțe gravitaționale. Ea continuă neîncetat până când provoacă o astfel de colaps, încât nu poate scăpa nimic mai mult decât raza orizontului evenimentului, nici măcar lumina.

În comparație, o gaură de vierme este o apariție excepțională, o consecință a unei anomalii ipotetice în curbura spațiului-timp. În teorie, este posibil să treci prin ele.

Cu toate acestea, dacă cineva a încercat să treacă printr-o gaură neagră, gravitatea intensă și radiațiile extreme în imediata apropiere a singularității l-ar transforma într-un fir subțire de particule subatomice.

Există dovezi indirecte și doar foarte recent dovezi directe ale existenței găurilor negre. Printre aceste dovezi se numără emisia și detectarea undelor gravitaționale prin atragerea și rotirea a două găuri negre colosale, detectate de către Observatorul undei gravitaționale LIGO.

Există dovezi că, în centrul galaxiilor mari, la fel ca Calea Lactee, există o gaură neagră supermassivă.

Rotația rapidă a stelelor din apropierea centrului, precum și cantitatea uriașă de radiații de înaltă frecvență care emană din ea, sunt dovezi indirecte că există o gaură neagră uriașă care explică prezența acestor fenomene.

Numai la 10 aprilie 2019 prima fotografie a unei găuri negre supermassive (7000 de milioane de ori masa Soarelui) a fost arătată lumii, situată într-o galaxie foarte îndepărtată: Messier 87 în constelația Fecioarei, la 55 de milioane de ani lumina de pe Pamant.

Această fotografie a unei găuri negre a fost posibilă datorită rețelei mondiale de telescoape, numită "Telescopul orizontului evenimentului", cu participarea a peste 200 de oameni de știință din întreaga lume.

Dintre găurile de vierme, nu există dovezi până acum. Oamenii de știință au reușit să detecteze și să urmărească o gaură neagră, cu toate acestea nu a fost posibil cu găurile de vierme.

Prin urmare, ele sunt obiecte ipotetice, deși teoretic fezabile, ca și când au fost și găuri negre.

Varietate / tipuri de găuri de vierme

Deși nu au fost încă detectate sau, probabil, tocmai pentru aceasta, și-au imaginat posibilități diferite pentru găurile de vierme. Toate sunt teoretic fezabile, deoarece satisfac ecuațiile lui Einstein pentru relativitatea generală. Iată câteva:

• Gauri de vierme care leagă două regiuni spațio-temporale ale aceluiași univers.
• Gauri de vierme capabile să conecteze un univers cu alt univers.
• Podurile lui Einstein-Rosen, în care materia ar putea trece de la o deschidere la alta. Deși această etapă de materie ar provoca o instabilitate, provocând tunelul să se prăbușească pe sine.
• Gaura de vierme a lui Kip Thorne, cu o coajă sferică de materie de masă negativă. Este stabilă și atravesabilă în ambele direcții.
• Așa-numita gaură de vierme Schwarzschild, alcătuită din două găuri negre statice conectate. Ele nu sunt traversabile, deoarece materia și lumina sunt prinse între cele două capete.
• Gaura de vierme cu sarcină și / sau rotație sau Kerr, constând din două găuri negre dinamice conectate intern, traversabile într-o singură direcție.
• Spuma spațială-timp cuantică, a cărei existență este teoretizată la nivel subatomic. Spuma este compusă din tuneluri subatomice extrem de instabile, care conectează zone diferite. Stabilizarea și extinderea acestora ar necesita crearea unei plasme de cuarci și gluoni, care ar necesita o cantitate aproape nelimitată de energie pentru generarea lor.
• Mai recent, datorită teoriei corzilor, a fost concepută despre găurile de vierme sprijinite de șirurile cosmice.
• Găurile negre se împletesc și apoi se separă, din care rezultă o gaură spațio-temporală, sau podul Einstein-Rosen, care este ținut împreună de gravitație. Este o soluție teoretică propusă în septembrie 2013 de fizicienii Juan Maldacena și Leonard Susskind.

Toate sunt perfect posibile, deoarece nu sunt contradictorii cu ecuațiile lui Einstein de relativitate generală.

Este posibil să vedeți găuri de vierme într-o zi?

O lungă perioadă de timp, găurile negre erau soluții teoretice pentru ecuațiile lui Einstein. Einstein însuși a pus sub semnul întrebării posibilitatea ca acestea să poată fi detectate de omenire.

De-a lungul timpului, găurile negre au rămas o predicție teoretică, până când au fost găsite și localizate. Oamenii de stiinta au aceeasi speranta pentru gaurile de vierme.

Este foarte posibil ca ei să fie și ei acolo, dar ei încă nu au învățat să-i localizeze. Deși, potrivit unei publicații foarte recente, găurile de vierme ar lăsa urme și umbre observabile chiar și cu telescoape.

Se crede că fotonii se mișcă în jurul gaurii de vierme, generând un inel luminos. Cel mai apropiat foton intră în interior și lasă în urmă o umbră care îi va diferenția de găurile negre.

Potrivit lui Rajibul Shaikh, fizician la Institutul de Cercetări Fundamentale Tata din Mumbai din India, un tip de gaură de vierme rotativă ar produce o umbră mai mare și mai deformată decât o gaură neagră.

În lucrarea sa, Shaikh a studiat umbrele teoretice proiectate de o anumită clasă de gauri de vierme rotative, concentrându-se asupra rolului crucial al gâtului gurii pentru formarea unei umbre a fotonului care o identifică și o diferențiază de o gaură neagră.

Shaikh a analizat, de asemenea, dependența umbrei de rotația gaurii de vierme și a comparat-o cu umbra proiectată de o gaură neagră rotativă a lui Kerr, găsind diferențe semnificative. Este o lucrare complet teoretică.

În afară de asta, pentru moment, găurile de vierme rămân abstracte matematice, dar este posibil ca foarte curând să le puteți vedea. Ceea ce se află la cealaltă extremă, deocamdată rămâne obiectul unor presupuneri.