Kaip paspausti rankas su savimi, kuris atskrido iš ateities? Kodėl liūtas gali staiga materializuotis jūsų kambaryje? Kaip patekti į kitą Visatą, aplankyti laiko mašiną ir kas yra „baltoji skylė“? Apie tai kalbėjo Vyriausiosios (Pulkovo) observatorijos Žvaigždžių fizikos laboratorijos vyresnysis tyrėjas Sergejus Krasnikovas.
Sergejus Vladilenovičius, kas yra sliekas?
- „Salik.biz“
- Nėra labai griežto apibrėžimo. Tokie apibrėžimai reikalingi įrodžius kai kurias teoremas, tačiau griežtų teoremų beveik nėra, todėl jos daugiausia apsiriboja vaizdinėmis sąvokomis, paveikslėliais. Įsivaizduokite, kad mes išėmėme rutulį iš savo trimatės erdvės viename kambaryje ir tiksliai tą patį rutulį ištraukėme kitame kambaryje ir suklijavome susidariusias šių skylių ribas.
Taigi, kai viename kambaryje žingsniuojame į buvusį rutulį, kuris tapo skylute, mes išeisime į kitą kambarį - iš skylės, suformuotos vietoje kito rutulio. Jei mūsų erdvė būtų ne trimatė, o dvimatė, ji atrodytų kaip popieriaus lapas, prie kurio klijuojamas rašiklis. Trimatis analogas ir jo raida laikui bėgant vadinama sliekine skyle.
Kaip tiriamos kirmgraužos?
- Tai grynai teorinė veikla. Niekas niekada nėra matęs kirminų skylių ir apskritai nėra tikras, ar jos apskritai egzistuoja. Jie pradėjo tyrinėti sliekų skyles, pradėdami nuo klausimo: ar gamtoje yra tokių mechanizmų, kurie mums garantuotų, kad tokios gamtos skylės negali egzistuoti? Šie mechanizmai nebuvo rasti, todėl galime manyti, kad kirmgraužos yra tikras reiškinys.
Ar iš principo įmanoma pamatyti slieką?
Reklaminis vaizdo įrašas:
- Žinoma. Jei užrakintame kambaryje staiga išlįsite iš niekieno žmogaus, tada stebėsite slieką. Kirminus kaip tyrimo objektą sugalvojo ir išpopuliarino amerikiečių teorinis fizikas Johnas Wheeleris, kuris su jų pagalba norėjo paaiškinti ne daugiau, ne mažiau - elektros krūvius. Leisk mums paaiškinti. Apibūdinti laisvą elektrinį lauką teorinės fizikos požiūriu nėra labai sunki užduotis.
Tačiau labai sunku apibūdinti elektros krūvį tuo pačiu požiūriu. Elektrinis krūvis šia prasme pasirodo kaip labai paslaptingas dalykas: kažkokia medžiaga, atskirta nuo lauko, nežinomos kilmės ir nežinoma, kaip su ja elgtis klasikinėje fizikoje. Wheelerio idėja buvo tokia. Tarkime, kad mes turime mikroskopinį sliekų skylę, kuri yra ištempta jėgos linijomis - iš vieno galo šios linijos įeina į ją, o iš kitos jos išeina.
Išorinis stebėtojas, nežinantis, kad šie du galai yra sujungti jėgos linijomis, toks objektas suvoks jį kaip paprastą erdvės sferą, ištirs aplink jį esantį lauką ir atrodys kaip taškinio krūvio laukas. Tik stebėtojas pamanys, kad tai yra kažkokia paslaptinga medžiaga, turinti užtaisą ir pan., Ir visa tai, nes jis nežino, kad iš tikrųjų tai yra kirminas.
Žinoma, tai yra labai elegantiška idėja, ir daugelis bandė ją išplėtoti, tačiau jie nepadarė daug pažangos, nes elektronai, galų gale, yra kvantiniai objektai, ir natūraliai niekas nežino, kaip apibūdinti kirminus kvantiniame lygmenyje. Bet jei darysime prielaidą, kad hipotezė teisinga, tada kirmgraužos yra daugiau nei kasdienis reiškinys, viskas, kas siejama su elektra, galiausiai bus su jomis susieta.
Egzotinė medžiaga yra klasikinė fizikos sąvoka, apibūdinanti bet kokią (paprastai hipotetinę) medžiagą, pažeidžiančią vieną ar daugiau klasikinių sąlygų, arba nesidedančią iš žinomų baronų. Tokios medžiagos gali turėti tokias savybes kaip neigiamas energijos tankis arba atstumti, o ne traukti dėl sunkio jėgos. Egzotinė medžiaga naudojama kai kuriose teorijose, tokiose kaip kirmgraužų struktūros teorija. Garsiausias egzotinių medžiagų atstovas yra vakuumas regione, kuriame neigiamą slėgį sukelia Kazimiero efektas.
Kokių kirminų yra?
- Teorinių kelionių požiūriu yra praeinamosios ir nepraeinamosios sliekinės skylės. Neįveikiami yra tie, per kuriuos pravažiavimas yra sunaikinamas, ir tai atsitinka taip greitai, kad joks objektas neturi laiko pereiti iš vieno galo į kitą. Žinoma, įdomiausias tyrimas yra antrojo tipo kirmgraužos - praeinančios. Yra net graži teorija, teigianti, kad tai, ką mes įpratome galvoti kaip apie supermasyvias juodąsias skylutes galaktikų centruose, iš tikrųjų yra kirminų burnos. Ši teorija yra beveik neišvystyta ir, savaime suprantama, dar nerado jokio patvirtinimo, ji egzistuoja, greičiau, kaip tam tikra idėja. Jos esmė yra ta, kad už slieko angos ribų matote tik tai, kad galaktikos centre yra tam tikras sferiškai simetriškas objektas, tačiau jūs negalite pasakyti, kas tai yra - kirmgraužos ar juodoji skylė.nes esate už šio objekto ribų.
Tiesą sakant, juos galima atskirti tik vienu parametru - mase. Jei paaiškėja, kad masė yra neigiama, greičiausiai tai yra kirmgraužos, bet jei masė yra teigiama, tada reikia papildomos informacijos, nes juodoji skylė gali pasirodyti kaip kirmgraužos. Neigiama masė apskritai yra vienas svarbiausių visos kirminų istorijos momentų. Dėl to, kad sliekų skylė būtų pravažiuojama, ji turi būti užpildyta vadinamąja egzotine medžiaga - medžiaga, kurioje bent vietomis tam tikruose vietose energijos tankis yra neigiamas.
Klasikiniu lygmeniu dar niekas nėra matęs tokios medžiagos, tačiau mes tikrai žinome, kad ji gali egzistuoti iš principo. Buvo užregistruotas kvantinis poveikis, dėl kurio atsirado tokia medžiaga. Tai gana gerai žinomas reiškinys ir jis vadinamas Kazimiero efektu. Tai buvo oficialiai įregistruota. Ir tai yra tiksliai susiję su neigiamos energijos tankiu egzistavimu, kuris yra labai įkvepiantis.
Kazimiero efektas yra poveikis, susidedantis iš abipusio patraukimo įkrauti kūnus, veikiant kvantiniams svyravimams vakuume. Dažniausiai mes kalbame apie du lygiagrečius neapkrautus veidrodžio paviršius, esančius artimu atstumu, tačiau Kazimiro efektas egzistuoja ir sudėtingesnėms geometrijoms. Poveikio priežastis yra fizinio vakuumo energijos svyravimai dėl nuolatinio virtualių dalelių kūrimo ir išnykimo jame. Poveikį prognozavo olandų fizikas Hendrik Casimir 1948 m., Vėliau jis buvo patvirtintas eksperimentu.
Apskritai kvantų moksle neigiamas energijos tankis yra gana dažnas dalykas, su kuriuo, pavyzdžiui, susijęs Hawkingo išgaravimas. Jei toks tankis yra, galime užduoti tokį klausimą: kokia yra juodosios skylės masė (jos sukurto gravitacinio lauko parametras)? Yra šios problemos sprendimas, taikytinas juodosioms skylėms - tai yra objektams, kurių masė yra teigiama, ir yra sprendimas, taikytinas neigiamoms masėms.
Jei kirmgraužoje yra pakankamai egzotinių medžiagų, tai išorėje šio objekto masė bus neigiama. Todėl vienas pagrindinių kirminų „stebėjimo“tipų yra objektų, kurių atžvilgiu galima manyti, kad jų neigiama masė, sekimas. Ir jei mes randame tokį objektą, tada su gana didele tikimybe galime pasakyti, kad tai yra kirminas.
Kirminai taip pat skirstomi į pasaulinius ir tarp pasaulinius. Jei sunaikinsime tunelį tarp dviejų antros rūšies skylių burnų, galėsime pamatyti dvi visiškai nesusijusias visatas. Toks sliekas vadinamas tarpupirščiu. Bet jei mes darome tą patį ir matome, kad viskas gerai - mes buvome toje pačioje Visatoje - tada mes turime vidinį kirminą. Šie du kirminų tipai turi daug bendro, tačiau yra ir svarbus skirtumas. Faktas yra tas, kad pasaulinis kirmgraužas, jei toks egzistuoja, yra linkęs virsti laiko mašina. Tiesą sakant, atsižvelgiant į šią prielaidą, kilo paskutinis susidomėjimas kirmgraužomis.
Pasaulinio kirmgraužos atveju yra du skirtingi būdai, kaip pažvelgti į kaimyną: tiesiai per tunelį arba žiediniu būdu. Jei pradėsite judinti vieną kirminų burną kitos atžvilgiu, tada, remiantis gerai žinomu dvynių paradoksu, antrasis asmuo, grįžęs iš kelionės, bus jaunesnis už likusį. Kita vertus, kai žiūrite per tunelį, jūs abu sėdite nejudančiose laboratorijose, jūsų požiūriu, nieko neįvyksta, jūsų laikrodžiai yra sinchronizuoti. Taigi, jūs turite teorinę galimybę pasinerti į šį tunelį ir išlipti tokiu momentu, kuris išorinio stebėtojo požiūriu yra ankstesnis už tą akimirką, kai jūs pasinerėte. Dėl tinkamo laipsnio vėlavimo atsiras galimybė tokiai žiedinei kelionei erdvės metu,kai grįši į savo pradinį išvykimo tašką ir pakratysi savo ankstesnio įsikūnijimo ranką.
Dvynių paradoksas yra minčių eksperimentas, su kuriuo jie bando „įrodyti“specialiosios reliatyvumo teorijos nenuoseklumą. Anot SRT, „nejudančių“stebėtojų požiūriu visi judančių objektų procesai sulėtėja. Kita vertus, reliatyvumo principas deklaruoja inertinių atskaitos rėmų lygybę. Remiantis tuo, grindžiami samprotavimai, sukeliantys akivaizdų prieštaravimą. Aiškumo dėlei svarstoma dviejų brolių dvynukų istorija. Vienas iš jų (keliautojas) leidžiasi į kosminį skrydį, o antrasis (būk namie) lieka Žemėje. Dažniausiai „paradoksas“suformuluojamas taip:
Sofos bulvės požiūriu, judančio keliautojo laikrodis praeina lėtai, todėl grįždamas jis turėtų atsilikti nuo sofos bulvės laikrodžio. Kita vertus, Žemė judėjo keliautojo atžvilgiu, todėl namų laikrodis turėtų atsilikti. Iš tikrųjų broliai yra lygūs, todėl grįžę jų laikrodžiai turėtų rodyti tą patį laiką. Tačiau, pasak SRT, keliautojo laikrodis atsiliks. Šis akivaizdžios brolių simetrijos pažeidimas vertinamas kaip prieštaravimas.
Kuo skiriasi slieko skylė nuo juodosios skylės?
- Pirmiausia turiu pasakyti, kad yra dviejų rūšių juodosios skylės - tos, kurios susiformavo sugriuvus žvaigždėms, ir tos, kurios egzistavo iš pradžių, atsirado atsiradus pačiai Visatai. Tai yra dvi iš esmės skirtingų rūšių juodosios skylės. Vienu metu buvo tokia sąvoka kaip „baltoji skylė“, dabar ji naudojama retai. Baltoji skylė yra ta pati juoda, tačiau laikui bėgant vystosi atgal. Medžiaga tiesiog skrenda į juodąją skylę, bet niekada negali iš jos ištrūkti. Iš baltos skylės, atvirkščiai, materija tik išskleidžia, bet jūs niekaip negalite į ją patekti. Tiesą sakant, tai yra labai natūralus dalykas, jei prisimename, kad Bendroji reliatyvumo teorija yra simetriška laike, o tai reiškia, kad jei yra juodųjų skylių, taip pat turi būti ir baltųjų skylių. Jų visuma yra kirmgraužos.
Kas yra žinoma apie kirminų vidinę struktūrą?
- Kol kas šia prasme statomi tik modeliai. Viena vertus, mes žinome, kad šio egzotinio dalyko atsiradimas galėjo būti aptiktas net eksperimentiniu būdu ir vis dar kyla daug klausimų. Vienintelis man žinomas sliekinės angos modelis, daugiau ar mažiau atitinkantis tikrovę, yra iš pradžių garuojančio (nuo Visatos pradžios) slieko angos modelis. Dėl šio išgarinimo tokia skylė ilgą laiką išlieka praeinama.
Ką konkrečiai jūs dirbate?
- Aš užsiimu grynai teorine veikla, tai, ką paprastai galima pavadinti priežastine erdvės-laiko struktūra, yra klasikinė reliatyvumo teorija, kartais pusiau klasikinė (kvantinė, kaip jūs žinote, dar neegzistuoja).
Klasikinėje nerelativistinėje teorijoje galima rasti pakankamai įtikinamų įrodymų, kad kelionė laiko atžvilgiu negali egzistuoti, tačiau apskritai reliatyvumas tokių įrodymų nėra. Ir Einšteinas, tik kurdamas savo teoriją, tai žinojo. Jis domėjosi, ar yra koks nors būdas atmesti šią galimybę. Tada jis nesusitvarkė su šia užduotimi, kaip vėliau pats pasakė. Nors Einšteinas sukūrė kalbą nagrinėti šį klausimą, užduotis liko akademinė. Susidomėjimas ja išaugo 1940-ųjų pabaigoje, kai Gedelis pasiūlė kosmologinį modelį, kuriame buvo tokios uždarytos kreivės.
Kadangi Gödelis visada siūlė ką nors egzotiško, jie į tai reagavo susidomėję, tačiau be rimtų mokslinių pasekmių. Ir tada, praėjusio amžiaus pabaigoje, daugiausia dėl mokslinės fantastikos - pavyzdžiui, filmo „Kontaktas“su Jodie Foster -, vėl buvo atgaivintas susidomėjimas laiko kelionių tema su kirminų pagalba. Romano, pagal kurį buvo parašytas filmo scenarijus, autorius yra labai garsus astronomas, mokslo populiarintojas Carlas Saganas.
Į šį klausimą jis kreipėsi labai rimtai ir paprašė savo draugo, taip pat labai garsaus reliatyvizmo Kipo Thorne'o, išsiaiškinti, ar viskas, kas aprašyta filme, yra įmanoma mokslo požiūriu. Žurnale jis paskelbė pusiau populiarų straipsnį, skirtą Amerikos fizikos mokytojams „Kirmgraužos kaip įrankis, tiriantis bendrąją reliatyvumo teoriją“, kur jis svarstė galimybę keliauti per kirmgraužas laiku.
Ir turiu pasakyti, kad tada mokslinėje fantastikoje buvo populiari mintis keliauti per juodąsias skyles. Bet jis suprato, kad juodoji skylė yra absoliučiai nepralaidus objektas - keliauti per jas neįmanoma, todėl sliekų skyles jis laikė galimybe keliauti laiku. Nors apie tai buvo žinoma anksčiau, tačiau dėl tam tikrų priežasčių žmonės jo išvadas laikė visiškai šviežia idėja ir suskubo jos ištirti. Be to, buvo akcentuojama prielaida, kad laiko mašina negali egzistuoti, bet mes nusprendėme išsiaiškinti, kodėl. Ir gana greitai tapo aišku, kad akivaizdžių priekaištų dėl tokios mašinos egzistavimo nėra. Nuo tada prasidėjo didesnio masto tyrimai, atsirado teorijų. Apskritai nuo to laiko tai darau ir aš.
„Kontaktas“yra 1997 m. Režisierius Robertas Zemeckis. Pagrindinis siužetas: Ellie Arroway (Judy Foster) visą savo gyvenimą skyrė mokslui, ji tampa projekto, ieškančio nežemiško intelekto, dalyve. Visi bandymai ieškoti nežemiškų signalų yra bevaisiai, todėl jos projekto ateitis yra rizikinga. Ellie desperatiškai ieško paramos, tačiau netikėtai sulaukia pagalbos iš ekscentrinio milijardieriaus Haddeno. Ir štai rezultatas - Ellie pasiima signalą. Signalų dekodavimas rodo, kad jame yra techninio prietaiso aprašymas. Jos tikslas nėra aiškus, tačiau viduje suplanuota vieta vienam asmeniui.
Sukūręs ir paleidęs įrenginį, Ellie pradeda kelionę per kirminų skylių sistemą ir yra transportuojamas, greičiausiai, į kitos žvaigždės sistemos planetą. Pabudusi ten, pajūryje, ji susitinka su kitos civilizacijos atstovu, kuris pasirinko savo velionio tėvo atvaizdą. Pasižvalgiusi aplink, herojė supranta, kad šią sritį atgaivino svetimas protas pagal piešinį, kurį ji nupiešė vaikystėje. Ateivė pasakoja jai, kad šis prietaisas leidžia organizuoti tarpžvaigždinių ryšių maršrutų sistemą, o Žemė nuo šiol tampa Visatos civilizacijų bendruomenės nare.
Ellie grįžta į Žemę. Išorinių stebėtojų požiūriu, po instaliacijos pradžios jai nieko neatsitiko, o jos kūnas nepaliko mūsų planetos. Ellie atsidūrė paradoksalioje situacijoje. Kaip mokslininkė, griežto mokslo požiūriu, ji jokiu būdu negali patvirtinti savo žodžių. Taip pat atskleidžiama dar viena aplinkybė: vaizdo kamera, pritvirtinta prie Ellie kelionės metu, nieko neįrašė, tačiau tuščio įrašymo trukmė buvo ne kelios sekundės, o 18 valandų …
Ar įmanoma „pasidaryti“kirminą?
- Vien tik tai yra griežtas mokslinis rezultatas. Taip yra dėl to, kad nėra tikslių tyrimų su kirminų tyrimais. Yra jau seniai įrodyta teorema, kuri sako taip. Yra toks dalykas kaip visuotinė hiperboliškumas. Šiuo atveju visiškai nesvarbu, ką tai reiškia, tačiau esmė ta, kad nors kosmosas yra hiperboliškas, kirminų kiaurymių sukurti neįmanoma - jie gali egzistuoti gamtoje, bet jūs patys jų negalite sukurti.
Jei jums pavyks sugriauti visuotinę hiperboliškumą, tada galbūt galite sukurti sliekų skylę. Bet faktas yra tas, kad šis pažeidimas pats savaime yra toks egzotiškas dalykas, taip menkai ištirtas ir menkai suprastas, kad kirminų gimimo šalutinis poveikis jau yra palyginti menkas dalykas, palyginti su tuo, kad tau pavyko pažeisti visuotinę hiperboliškumą.
Čia vyksta labai garsus dalykas, vadinamas „griežtos kosminės cenzūros principu“, kuris sako, kad kosmosas visuomet yra hiperboliškas. Bet tai iš principo yra tiktai noras. Nėra įrodymų apie šio principo teisingumą, tiesiog yra tam tikras vidinis pasitikėjimas, būdingas daugeliui žmonių, kad erdvės laikas turėtų būti globaliai hiperboliškas. Jei taip, slieko angos sukurti neįmanoma - jūs turite ieškoti esamos. Tuo tarpu rimtas abejones dėl ištikimybės kosminės cenzūros principui išsakė pats autorius - Rogeris Penrose'as, tačiau tai jau kita istorija.
Tai yra, norint sukurti slieką reikia rimtų energijos sąnaudų?
- Čia labai sunku ką nors pasakyti. Bėda ta, kad kai pažeidžiamas tavo visuotinis hiperboliškumas, tuo pačiu pažeidžiamas ir nuspėjamumas - tai praktiškai tas pats dalykas. Galite kažkaip geometriškai pakeisti aplink esančią erdvę, pavyzdžiui, paimti maišą ir įdėti jį į kitą vietą. Tačiau yra tam tikros ribos, per kurias tai galite padaryti, visų pirma, nuspėjamumo nustatyta riba. Pavyzdžiui, kartais galite pasakyti, kas nutiks per 2 sekundes, o kartais ne. Tai, ką jūs galite numatyti ar ko negalite nuspėti, slypi visuotiniame hiperboliškume. Jei jūsų erdvės laikas yra hiperbolinis, galite numatyti jo raidą.
Jei darysime prielaidą, kad tam tikru momentu jis pažeidžia visuotinį hiperboliškumą, nuspėjamumui viskas pasidaro labai blogai. Todėl kyla nuostabus dalykas, pavyzdžiui, kad čia ir dabar gali susiformuoti sliekas, per kurį iššoks liūtas. Tai bus egzotiškas reiškinys, tačiau nepažeis jokių fizikos įstatymų. Kita vertus, jūs galite išleisti daug pastangų, pinigų ir išteklių, kad kažkaip palengvintumėte šį procesą. Bet rezultatas vis tiek išliks tas pats - abiem atvejais jūs nežinote, ar atsiras sliekų skylė, ar ne. Klasikinėje fizikoje mes nieko negalime padaryti. Jei nori, nori, nori, nenori, tai nekils - kvantų mokslas kol kas neduoda mums jokių įkalčių.
„Kosminės cenzūros“principą 1969 m. Suformulavo Rogeris Penrose'as tokia vaizdine forma: „Gamta bjaurojasi nuogai išskirtinumu“. Sako, kad erdvėlaikio ypatumai atsiranda tose vietose, kurios, kaip ir vidinės juodųjų skylių sritys, yra paslėptos nuo stebėtojų. Šis principas dar neįrodytas ir yra priežasčių abejoti jo absoliučiu teisingumu (pvz., Dulkių debesies griūtis, turinti didelį kampinį momentą, sukelia „atvirą išskirtinumą“, tačiau nežinoma, ar šis Einšteino lygčių sprendimas yra stabilus mažų pradinių duomenų pasipiktinimų atžvilgiu).
Penrose'o formuluotė (stipri kosminės cenzūros forma) leidžia manyti, kad visas erdvės laikas yra hiperboliškas.
Vėliau Stephenas Hawkingas pasiūlė kitokią formuluotę (silpną kosminės cenzūros formą), kur daroma prielaida tik apie erdvės laiko „ateities“komponento visuotinį hiperboliškumą.
Olga Fadeeva