Wie kann man sich die Hand geben, der aus der Zukunft eingeflogen ist? Warum kann plötzlich ein Löwe in Ihrem Zimmer auftauchen? Wie komme ich in ein anderes Universum, besuche eine Zeitmaschine und was ist ein "weißes Loch"? Sergey Krasnikov, ein leitender Forscher am Star Physics Laboratory des Main Observatory (Pulkovo), sprach darüber.
Sergey Vladilenovich, was ist ein Wurmloch?
- Es gibt keine sehr strenge Definition. Solche Definitionen werden benötigt, wenn Sie einige Theoreme beweisen, aber es gibt fast keine strengen Theoreme, daher beschränken sie sich hauptsächlich auf figurative Konzepte, Bilder. Stellen Sie sich vor, wir hätten in einem Raum einen Ball aus unserem dreidimensionalen Raum herausgenommen und in einem anderen Raum genau denselben Ball herausgenommen und die resultierenden Grenzen dieser Löcher geklebt.
Wenn wir also in einem Raum diesen ehemaligen Ball betreten, der zu einem Loch geworden ist, werden wir in einem anderen Raum auftauchen - aus einem Loch, das sich anstelle eines anderen Balls gebildet hat. Wenn unser Raum nicht dreidimensional, sondern zweidimensional wäre, würde er wie ein Blatt Papier aussehen, auf das ein Stift geklebt wird. Das dreidimensionale Analogon und seine Entwicklung im Laufe der Zeit wird als Wurmloch bezeichnet.
Wie werden Wurmlöcher untersucht?
- Dies ist eine rein theoretische Aktivität. Niemand hat jemals Wurmlöcher gesehen, und im Allgemeinen gibt es keine Gewissheit, dass sie überhaupt existieren. Sie begannen, die Wurmlöcher zu untersuchen, ausgehend von der Frage: Gibt es solche Mechanismen in der Natur, die uns garantieren würden, dass solche Löcher in der Natur nicht existieren können? Diese Mechanismen wurden nicht gefunden, daher können wir davon ausgehen, dass Wurmlöcher ein echtes Phänomen sind.
Kann man grundsätzlich ein Wurmloch sehen?
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- Na sicher. Wenn in einem verschlossenen Raum plötzlich eine Person aus dem Nichts kriecht, beobachten Sie ein Wurmloch. Wurmlöcher als Untersuchungsgegenstand wurden vom amerikanischen theoretischen Physiker John Wheeler erfunden und gefördert, der mit ihrer Hilfe nicht mehr und nicht weniger elektrische Ladungen erklären wollte. Lassen Sie uns erklären. Die Beschreibung eines freien elektrischen Feldes aus theoretischer Sicht ist keine sehr schwierige Aufgabe.
Es ist jedoch sehr schwierig, eine elektrische Ladung unter dem gleichen Gesichtspunkt zu beschreiben. Eine elektrische Ladung erscheint in diesem Sinne als eine sehr mysteriöse Sache: eine vom Feld getrennte Substanz unbekannten Ursprungs, und es ist nicht klar, wie man damit in der klassischen Physik umgeht. Wheelers Idee war wie folgt. Nehmen wir an, wir haben ein mikroskopisch kleines Wurmloch, das von Kraftlinien durchsetzt ist - von einem Ende treten diese Linien ein und von dem anderen treten sie aus.
Ein externer Beobachter, der nicht weiß, dass diese beiden Enden durch Kraftlinien verbunden sind, wird von einem solchen Objekt als einfache Kugel im Raum wahrgenommen, das Feld um es herum untersucht und wie das Feld einer Punktladung aussehen. Nur der Beobachter wird denken, dass dies eine Art mysteriöse Substanz ist, die eine Ladung usw. hat, und das alles, weil er nicht weiß, dass es sich tatsächlich um ein Wurmloch handelt.
Natürlich ist dies eine sehr elegante Idee, und viele haben versucht, sie zu entwickeln, aber sie haben keine großen Fortschritte gemacht, weil Elektronen schließlich Quantenobjekte sind und natürlich niemand Wurmlöcher auf Quantenebene beschreiben kann. Wenn wir jedoch davon ausgehen, dass die Hypothese richtig ist, dann sind Wurmlöcher mehr als ein alltägliches Phänomen. Alles, was mit Elektrizität verbunden ist, wird letztendlich an sie gebunden sein.
Exotische Materie ist ein klassisches Konzept der Physik, das jede (normalerweise hypothetische) Substanz beschreibt, die gegen eine oder mehrere klassische Bedingungen verstößt oder nicht aus bekannten Baryonen besteht. Solche Substanzen können Eigenschaften wie negative Energiedichte haben oder aufgrund der Schwerkraft eher abstoßen als anziehen. Exotische Materie wird in einigen Theorien verwendet, beispielsweise in der Theorie der Struktur von Wurmlöchern. Der bekannteste Vertreter exotischer Materie ist das Vakuum in der Region mit dem durch den Casimir-Effekt erzeugten Unterdruck.
Was für Wurmlöcher gibt es?
- Aus theoretischer Sicht gibt es passable und unpassierbare Wurmlöcher. Unpassierbar sind solche, durch die der Durchgang zerstört wird, und dies geschieht so schnell, dass kein Objekt einfach Zeit hat, von einem Ende zum anderen zu gelangen. Am interessantesten für das Studium ist natürlich die zweite Art von Wurmlöchern - passierbar. Es gibt sogar eine schöne Theorie, die besagt, dass das, was wir früher als supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien angesehen haben, tatsächlich die Münder von Wurmlöchern sind. Diese Theorie ist fast unentwickelt und hat natürlich noch keine Bestätigung gefunden, sie existiert vielmehr als eine Art Idee. Seine Essenz ist, dass man außerhalb des Wurmlochs nur sieht, dass sich im Zentrum der Galaxie ein bestimmtes kugelsymmetrisches Objekt befindet, aber man kann nicht sagen, was es ist - ein Wurmloch oder ein Schwarzes Loch.weil Sie sich außerhalb dieses Objekts befinden.
Tatsächlich können sie nur durch einen Parameter unterschieden werden - Masse. Wenn sich herausstellt, dass die Masse negativ ist, handelt es sich höchstwahrscheinlich um ein Wurmloch. Wenn die Masse jedoch positiv ist, sind zusätzliche Informationen erforderlich, da sich das Schwarze Loch möglicherweise als Wurmloch herausstellt. Negative Masse im Allgemeinen ist einer der zentralen Momente der gesamten Wurmlochgeschichte. Denn um passierbar zu sein, muss ein Wurmloch mit einer sogenannten exotischen Substanz gefüllt werden - einer Substanz, in der die Energiedichte zumindest stellenweise an einigen Stellen negativ ist.
Auf der klassischen Ebene hat noch niemand eine solche Substanz gesehen, aber wir wissen mit Sicherheit, dass sie im Prinzip existieren kann. Es wurden Quanteneffekte registriert, die zum Auftreten einer solchen Substanz führen. Dies ist ein ziemlich bekanntes Phänomen und wird als Casimir-Effekt bezeichnet. Es wurde offiziell registriert. Und es hängt genau mit der Existenz einer negativen Energiedichte zusammen, was sehr inspirierend ist.
Der Casimir-Effekt ist ein Effekt, der in der gegenseitigen Anziehung von ungeladenen Körpern unter dem Einfluss von Quantenfluktuationen im Vakuum besteht. Meistens handelt es sich um zwei parallele ungeladene Spiegelflächen, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, aber der Casimir-Effekt besteht auch für komplexere Geometrien. Der Grund für den Effekt sind die Energiefluktuationen des physikalischen Vakuums aufgrund der ständigen Erzeugung und des Verschwindens virtueller Partikel darin. Der Effekt wurde 1948 vom niederländischen Physiker Hendrik Casimir vorhergesagt und später experimentell bestätigt.
Im Allgemeinen ist in der Quantenwissenschaft die negative Energiedichte eine ziemlich häufige Sache, mit der beispielsweise die Hawking-Verdampfung verbunden ist. Wenn eine solche Dichte existiert, können wir die folgende Frage stellen: Wie groß ist die Masse des Schwarzen Lochs (der Parameter des von ihm erzeugten Gravitationsfeldes)? Es gibt eine Lösung für dieses Problem, die auf Schwarze Löcher anwendbar ist, dh Objekte mit einer positiven Masse, und es gibt eine Lösung, die auf eine negative Masse anwendbar ist.
Wenn sich im Wurmloch genügend exotische Materie befindet, ist die Masse außerhalb dieses Objekts negativ. Daher ist eine der Hauptarten der "Beobachtung" von Wurmlöchern die Verfolgung von Objekten, in Bezug auf die angenommen werden kann, dass sie eine negative Masse haben. Und wenn wir ein solches Objekt finden, können wir mit ziemlich hoher Wahrscheinlichkeit sagen, dass dies ein Wurmloch ist.
Wurmlöcher werden auch in Intra- und Interwelt unterteilt. Wenn wir den Tunnel zwischen den beiden Mündungen der zweiten Art von Löchern zerstören, können wir zwei völlig unabhängige Universen sehen. Ein solches Wurmloch nennt man Interworld. Aber wenn wir dasselbe tun und sehen, dass alles in Ordnung ist - wir sind im selben Universum geblieben -, dann haben wir ein Wurmloch innerhalb der Welt. Diese beiden Arten von Wurmlöchern haben viel gemeinsam, aber es gibt auch einen wichtigen Unterschied. Tatsache ist, dass das Wurmloch innerhalb der Welt, wenn es existiert, dazu neigt, sich in eine Zeitmaschine zu verwandeln. Vor dem Hintergrund dieser Annahme kam es tatsächlich zu dem letzten Anstieg des Interesses an Wurmlöchern.
Bei einem Wurmloch innerhalb der Welt gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, einen Nachbarn zu betrachten: direkt durch den Tunnel oder auf Umwegen. Wenn Sie anfangen, einen Mund eines Wurmlochs relativ zum anderen zu bewegen, ist die zweite Person, die von der Reise zurückkehrt, gemäß dem bekannten Paradoxon der Zwillinge jünger als die verbleibende. Wenn Sie dagegen durch den Tunnel schauen, sitzen Sie beide regungslos in Labors. Aus Ihrer Sicht passiert nichts, Ihre Uhren sind synchronisiert. So haben Sie die theoretische Möglichkeit, in diesen Tunnel einzutauchen und in einem Moment auszusteigen, der aus Sicht eines externen Beobachters dem Moment vorausgeht, in dem Sie getaucht sind. Die Verzögerung, die zu einem angemessenen Grad gebracht wird, wird die Möglichkeit einer solchen kreisförmigen Reise in der Raumzeit begründen.wenn du zu deinem ursprünglichen Ausgangspunkt zurückkehrst und deiner vorherigen Inkarnation die Hand schüttelst.
Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment, mit dem sie versuchen, die Inkonsistenz der speziellen Relativitätstheorie zu "beweisen". Laut SRT verlangsamen sich aus Sicht "stationärer" Beobachter alle Prozesse der Bewegung von Objekten. Andererseits erklärt das Relativitätsprinzip die Gleichheit der Trägheitsreferenzrahmen. Auf dieser Grundlage wird eine Argumentation aufgebaut, die zu einem offensichtlichen Widerspruch führt. Aus Gründen der Klarheit wird die Geschichte zweier Zwillingsbrüder betrachtet. Einer von ihnen (der Reisende) macht einen Raumflug und der zweite (zu Hause bleiben) bleibt auf der Erde. Am häufigsten wird das "Paradoxon" wie folgt formuliert:
Aus der Sicht einer Couch Potato hat die Uhr eines sich bewegenden Reisenden einen langsamen Zeitablauf, so dass sie bei der Rückkehr hinter der Uhr einer Couch Potato zurückbleiben sollte. Auf der anderen Seite bewegte sich die Erde relativ zum Reisenden, so dass die Uhr des Homebody zurückbleiben sollte. Tatsächlich sind die Brüder gleich, daher sollten ihre Uhren nach ihrer Rückkehr dieselbe Zeit anzeigen. Laut SRT wird die Uhr des Reisenden jedoch zurückbleiben. Diese Verletzung der offensichtlichen Symmetrie der Brüder wird als Widerspruch angesehen.
Was ist der grundlegende Unterschied zwischen einem Wurmloch und einem Schwarzen Loch?
- Zunächst muss ich sagen, dass es zwei Arten von Schwarzen Löchern gibt - diejenigen, die durch den Zusammenbruch von Sternen entstanden sind, und diejenigen, die ursprünglich existierten, entstanden mit der Entstehung des Universums selbst. Dies sind zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Schwarzen Löchern. Früher gab es ein Konzept wie "Weißes Loch", heute wird es nur noch selten verwendet. Ein weißes Loch ist das gleiche schwarze, entwickelt sich aber mit der Zeit rückwärts. Materie fliegt nur in ein Schwarzes Loch, aber es kann niemals von dort entkommen. Aus einem weißen Loch hingegen fliegt die Materie nur heraus, aber man kann in keiner Weise hinein gelangen. Tatsächlich ist dies eine sehr natürliche Sache, wenn wir uns daran erinnern, dass die Allgemeine Relativitätstheorie zeitlich symmetrisch ist, was bedeutet, dass bei schwarzen Löchern auch weiße Löcher existieren müssen. Ihre Gesamtheit ist ein Wurmloch.
Was ist über die innere Struktur von Wurmlöchern bekannt?
- Bisher werden in diesem Sinne nur Modelle gebaut. Einerseits wissen wir, dass das Auftreten dieser exotischen Materie möglicherweise sogar experimentell entdeckt wurde, und dennoch gibt es viele Fragen. Das einzige mir bekannte Modell eines Wurmlochs, das mehr oder weniger mit der Realität übereinstimmt, ist das Modell eines anfänglich verdunstenden (seit Beginn des Universums) Wurmlochs. Aufgrund dieser Verdunstung bleibt ein solches Loch lange Zeit passierbar.
Woran arbeiten Sie genau?
- Ich beschäftige mich mit rein theoretischer Tätigkeit. Was allgemein als kausale Struktur der Raumzeit bezeichnet werden kann, ist die klassische Relativitätstheorie, die manchmal semiklassisch ist (Quantum existiert, wie Sie wissen, noch nicht).
In der klassischen nichtrelativistischen Theorie kann man hinreichend überzeugende Beweise dafür liefern, dass Zeitreisen nicht existieren können, aber in der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es keine solchen Beweise. Und Einstein war sich dessen bewusst, als er gerade seine Theorie entwickelte. Er fragte sich, ob es eine Möglichkeit gab, diese Möglichkeit auszuschließen. Dann hat er diese Aufgabe nicht gemeistert, wie er später selbst sagte. Obwohl Einstein eine Sprache geschaffen hat, um dieses Thema zu studieren, blieb die Aufgabe akademisch. Das Interesse daran explodierte Ende der 1940er Jahre, als Gödel ein kosmologisches Modell vorschlug, das solche geschlossenen Kurven enthielt.
Da Gödel aber immer etwas Exotisches anbot, reagierten sie darauf mit Interesse, jedoch ohne ernsthafte wissenschaftliche Konsequenzen. Und dann, gegen Ende des letzten Jahrhunderts, wurde das Interesse am Thema Zeitreisen mit Hilfe von Wurmlöchern wiederbelebt, vor allem dank Science-Fiction - zum Beispiel dem Film "Kontakt" mit Jodie Foster. Der Autor des Romans, nach dem das Drehbuch des Films geschrieben wurde, ist ein sehr berühmter Astronom und Popularisierer der Wissenschaft, Carl Sagan.
Er ging sehr ernst mit der Sache um und bat seinen Freund, ebenfalls einen sehr berühmten Relativisten, Kip Thorne, zu prüfen, ob alles, was im Film beschrieben wird, aus wissenschaftlicher Sicht möglich sei. Und er veröffentlichte einen halbpopulären Artikel in der Zeitschrift für amerikanische Physiklehrer "Wurmlöcher als Werkzeug zum Studium der Allgemeinen Relativitätstheorie", in dem er die Möglichkeit einer Zeitreise durch Wurmlöcher in Betracht zog.
Und ich muss sagen, dass damals in der Science-Fiction die Idee, durch Schwarze Löcher zu reisen, beliebt war. Aber er verstand, dass ein Schwarzes Loch ein absolut undurchdringliches Objekt ist - eine Reise durch sie ist unmöglich, deshalb betrachtete er Wurmlöcher als Gelegenheit für Zeitreisen. Dies war zwar schon früher bekannt, aber aus irgendeinem Grund nahmen die Leute seine Schlussfolgerungen als eine völlig neue Idee und beeilten sich, sie zu untersuchen. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt auf der Annahme, dass eine Zeitmaschine nicht existieren kann, aber wir beschlossen herauszufinden, warum. Und ziemlich schnell wurde klar, dass es keine offensichtlichen Einwände gegen die Existenz einer solchen Maschine gab. Seitdem haben umfangreichere Studien begonnen und Theorien aufgetaucht. Im Allgemeinen mache ich das seitdem auch.
"Contact" ist ein 1997er Science-Fiction-Film. Regie von Robert Zemeckis. Haupthandlung: Ellie Arroway (Judy Foster) widmete ihr ganzes Leben der Wissenschaft und nimmt an einem Projekt zur Suche nach außerirdischer Intelligenz teil. Alle Versuche, nach außerirdischen Signalen zu suchen, sind erfolglos und die Zukunft ihres Projekts steht auf dem Spiel. Ellie ist verzweifelt, Unterstützung zu finden, bekommt aber unerwartet Hilfe vom exzentrischen Milliardär Hadden. Und hier ist das Ergebnis - Ellie nimmt das Signal auf. Die Signaldecodierung zeigt, dass sie eine Beschreibung des technischen Geräts enthält. Sein Zweck ist nicht klar, aber ein Platz für eine Person ist im Inneren geplant.
Nach der Erstellung und dem Start des Geräts begibt sich Ellie auf eine Reise durch das Wurmlochsystem und wird wahrscheinlich zu einem Planeten in einem anderen Sternensystem transportiert. Dort wacht sie an der Küste auf und trifft einen Vertreter einer anderen Zivilisation, der das Bild ihres verstorbenen Vaters gewählt hat. Als sie sich umschaut, stellt die Heldin fest, dass dieser Bereich von einem fremden Geist in ihrem Kopf nach dem Bild einer Zeichnung, die sie in ihrer Kindheit gezeichnet hat, neu geschaffen wurde. Der Außerirdische sagt ihr, dass das Gerät es Ihnen ermöglicht, ein System interstellarer Kommunikationswege zu organisieren, und die Erde wird von nun an Mitglied der Gemeinschaft der Zivilisationen des Universums.
Ellie kehrt zur Erde zurück. Aus der Sicht externer Beobachter ist ihr nach dem Start der Installation nichts passiert, und ihr Körper hat unseren Planeten nicht verlassen. Ellie befindet sich in einer paradoxen Situation. Als Wissenschaftlerin kann sie aus Sicht der strengen Wissenschaft ihre Worte in keiner Weise bestätigen. Ein weiterer Umstand zeigt sich auch: Die an Ellie während der Reise angebrachte Videokamera hat nichts aufgenommen, aber die Dauer der leeren Aufnahme betrug nicht wenige Sekunden, sondern 18 Stunden …
Ist es möglich, ein Wurmloch zu "machen"?
- Genau darüber gibt es ein striktes wissenschaftliches Ergebnis. Dies liegt an der Tatsache, dass es keine genauen Ergebnisse zur Untersuchung von Wurmlöchern gibt. Es gibt einen Satz, der vor langer Zeit bewiesen wurde und der Folgendes besagt. Es gibt so etwas wie globale Hyperbolizität. In diesem Fall spielt es keine Rolle, was es bedeutet, aber der Punkt ist, dass es unmöglich ist, ein Wurmloch zu schaffen, obwohl der Raum global hyperbolisch ist - es kann in der Natur existieren, aber es wird nicht funktionieren, um es selbst zu machen.
Wenn Sie es schaffen, die globale Hyperbolizität zu überwinden, können Sie möglicherweise ein Wurmloch erstellen. Tatsache ist jedoch, dass diese Verletzung an sich eine so exotische Sache ist, die so schlecht untersucht und verstanden wurde, dass die Nebenwirkung der Geburt eines Wurmlochs bereits relativ gering ist, verglichen mit der Tatsache, dass Sie es geschafft haben, die globale Hyperbolizität zu verletzen.
Hier findet eine sehr berühmte Sache statt, das „Prinzip der strengen kosmischen Zensur“, das besagt, dass der Raum immer global hyperbolisch ist. Dies ist aber im Prinzip nichts anderes als ein Wunsch. Es gibt keine Beweise für die Richtigkeit dieses Prinzips, es gibt nur ein gewisses inneres Vertrauen, das vielen Menschen innewohnt, dass Raum-Zeit global hyperbolisch sein sollte. Wenn ja, ist es unmöglich, ein Wurmloch zu erstellen - Sie müssen nach einem vorhandenen suchen. In der Zwischenzeit äußerte der Autor selbst - Roger Penrose - ernsthafte Zweifel an der Treue des Prinzips der kosmischen Zensur, aber das ist eine andere Geschichte.
Das heißt, um ein Wurmloch zu schaffen, sind einige ernsthafte Energiekosten erforderlich?
- Es ist sehr schwierig, hier etwas zu sagen. Das Problem ist, dass bei einer Verletzung Ihrer globalen Hyperbolizität gleichzeitig die Vorhersagbarkeit verletzt wird - dies ist praktisch dasselbe. Sie können den Raum um Sie herum irgendwie geometrisch verändern, indem Sie beispielsweise eine Tasche nehmen und an einem anderen Ort ablegen. Es gibt jedoch bestimmte Grenzen, innerhalb derer Sie dies tun können, insbesondere die durch Vorhersagbarkeit auferlegten Grenzen. Zum Beispiel können Sie manchmal sagen, was in 2 Sekunden passieren wird, und manchmal nicht. Die Grenze dessen, was Sie vorhersagen können oder nicht, liegt genau in der globalen Hyperbolizität. Wenn Ihre Raumzeit global hyperbolisch ist, können Sie ihre Entwicklung vorhersagen.
Wenn wir annehmen, dass es irgendwann die globale Hyperbolizität verletzt, wird alles mit Vorhersagbarkeit sehr schlecht. Daher entsteht zum Beispiel eine erstaunliche Sache, so dass hier und jetzt ein Wurmloch entstehen kann, durch das ein Löwe herausspringen wird. Es wird ein exotisches Phänomen sein, aber es wird keine Gesetze der Physik verletzen. Auf der anderen Seite können Sie viel Aufwand, Geld und Ressourcen aufwenden, um diesen Prozess irgendwie zu vereinfachen. Das Ergebnis bleibt jedoch das gleiche - in beiden Fällen wissen Sie nicht, ob ein Wurmloch auftritt oder nicht. In der klassischen Physik können wir nichts dagegen tun - wenn es will, wird es, will es nicht, entsteht es nicht - die Quantenwissenschaft gibt uns in dieser Angelegenheit keine Hinweise.
Das Prinzip der "kosmischen Zensur" wurde 1969 von Roger Penrose in folgender Bildform formuliert: "Die Natur verabscheut eine nackte Singularität." Es heißt, dass Raumzeit-Singularitäten an Orten auftreten, die wie die inneren Regionen von Schwarzen Löchern vor Beobachtern verborgen sind. Dieses Prinzip wurde noch nicht bewiesen, und es gibt Gründe, seine absolute Richtigkeit zu bezweifeln (zum Beispiel führt der Zusammenbruch einer Staubwolke mit einem großen Drehimpuls zu einer "nackten Singularität", aber es ist nicht bekannt, ob diese Lösung der Einsteinschen Gleichungen gegenüber kleinen Störungen der Anfangsdaten stabil ist).
Penrose 'Formulierung (eine starke Form der kosmischen Zensur) legt nahe, dass die Raumzeit insgesamt global hyperbolisch ist.
Später schlug Stephen Hawking eine andere Formulierung vor (eine schwache Form der kosmischen Zensur), bei der nur die globale Hyperbolizität der "zukünftigen" Komponente der Raumzeit angenommen wird.
Olga Fadeeva
