Voisiko astronautit selviytyä tähtienvälisestä matosta madonreiän läpi?

Tähtienvälisessä avaruusoopperassa ihmisyyttä pelastavat astronautit ovat löytäneet pelastuslinjan: madonreiän, joka on salaperäisesti ilmestynyt Saturnuksen viereen. Avaruusajan läpi kulkeva tunneli johtaa kaukaiseen galaksiin ja mahdollisuuden löytää asuttavia planeettoja, jotka ihmiset voivat siirtää. Elokuvan madonreikä perustuu todelliseen fysiikkaan eläkkeellä olleelta CalTech-professuurilta Kip Thorneelta, astrofysiikan edelläkävijältä, joka auttoi myös Carl Sagania suunnittelemaan madonreiänsä romaaniin Contact . Visualisoinnit ovat upeita ja niistä pidetään joitain tarkimpia matoreikien ja elokuvan mustien reikien simulaatioita. Mutta on yksi näkökohta asettamalla tähtienväliseen ilmaisuun, jota elokuvassa ei käsitellä: Kuinka selvität matkan?

Asiaan liittyvä sisältö

• Stephen Hawking uskoo, että voimme ratkaista hiusten kanssa merkittävän mustan reiän mysteerin
• Fyysikot rakensivat madonreiän magneetteille
• Miksi "Tähtienvälinen" kuuluu parhaan "realistisen" tieteiskirjallisuuden elokuvien Pantheoniin
• Mystin madonreiän kirja on tosielämän lähin asia

Alkuperäinen madonreikä oli Albert Einsteinin ja hänen avustajansa Nathan Rosenin aivotukko, vaikka he eivät kutsuneet sitä sellaiseksi. He yrittivät ratkaista Einsteinin yhtälöt yleisestä suhteellisuudesta tavalla, joka lopulta johtaa puhtaasti matemaattiseen malliin koko maailmankaikkeudesta, mukaan lukien painovoima ja hiukkaset, jotka muodostavat aineen. Heidän yrittämisensäään oli kuvata tilaa kahdeksi geometriseksi levyksi, jotka yhdistettiin "siltoilla", jotka havaitsemme hiukkasina.

Toinen fyysikko, Ludwig Flamm, oli itsenäisesti löytänyt tällaiset sillat vuonna 1916 ratkaisussaan Einsteinin yhtälöihin. Valitettavasti heille tämä "kaiken teoria" ei toiminut, koska teoreettiset sillat eivät lopulta käyttäytyneet kuin oikeat hiukkaset. Mutta Einsteinin ja Rosenin 1935-julkaisu popularisoi tunnelin käsitettä avaruusajan kudoksen läpi ja sai muut fyysikot ajattelemaan vakavasti vaikutuksia.

Princetonin fyysikko John Wheeler loi termin "madonreikä" 1960-luvulla tutkiessaan Einstein-Rosen-siltojen malleja. Hän totesi, että sillat muistuttavat reikiä, joita madot omenoiden läpi kantoivat. Omenan yhdeltä puolelta toiselle indeksoiva muurahainen voi joko asettua kokonaan kaarevan pintansa ympäri tai suorittaa oikotien madon tunnelin läpi. Kuvittele nyt, että kolmiulotteinen avaruusaika on omenan iho, joka kaareutuu korkeamman ulottuvuuden ympärille, jota kutsutaan "irtotavaraksi". Einstein-Rosen-silta on bulkin läpi kulkeva tunneli, jonka avulla matkustajat voivat siirtyä nopealle kaistalle kahden avaruuspisteen välillä. Se kuulostaa oudolta, mutta se on laillinen matemaattinen ratkaisu yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Wheeler tajusi, että Einstein-Rosen-siltojen suu vastaa hyvin kuvauksia siitä, mitä tunnetaan Schwarzschildin mustana aukkona, yksinkertaisena ainetta, joka on niin tiheä, että edes valo ei pääse pakenemaan sen painovoimavetoisuudesta. Ah-ha! Astronomit uskovat, että mustia aukkoja on olemassa ja muodostuu, kun erittäin massiivisten tähtien ytimet romahtavat itseensä. Voivatko mustat aukot olla myös madonreikiä ja siten portteja tähtiä väliseen matkaan? Matemaattisesti ottaen ehkä - mutta kukaan ei selviäisi matkalta.

Schwarzschild-mallissa mustan aukon tumma sydän on singulaarisuus, neutraali, liikkuva pallo, jolla on ääretön tiheys. Wheeler laski, mitä tapahtuisi, jos madonreikä syntyy, kun kaksi yksilöllisyyttä maailmankaikkeuden kaukaisimmissa osissa sulautuvat irtotavarana muodostaen tunnelin Schwarzschildin mustien reikien väliin. Hän huomasi, että tällainen madonreikä on luonnostaan ​​epävakaa: tunneli muodostuu, mutta sitten se supistuu ja puristuu, jolloin sinulla on vain kaksi ainutlaatuisuutta. Tämä kasvu- ja supistumisprosessi tapahtuu niin nopeasti, että edes valo ei päästä sitä tunnelin läpi, ja läpi ajaa yrittävä astronautti kohtaaisi ainutlaatuisuuden. Se on äkillinen kuolema, koska valtavat gravitaatiovoimat repeävät matkustajan toisistaan.

"Kaikki tai kuka tahansa, joka yrittää matkaa, tuhoutuu turnauksessa!" Thorne kirjoittaa seurakirjassaan elokuvalle The Science of Interstellar .

Tähtienvälinen tiede

Amazon.com: Tähtienvälinen tiede (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Kirjat

On olemassa vaihtoehto: pyörivä Kerr-musta reikä, mikä on toinen mahdollisuus suhteellisuudessa. Erillisyys Kerr-mustan aukon sisällä on rengas eikä pallo, ja jotkut mallit viittaavat siihen, että henkilö voisi selviytyä matasta, jos se kulkee siististi renkaan keskuksen läpi kuten koripallo vanteen läpi. Thornella on kuitenkin useita vastalauseita tähän ajatukseen. Vuonna 1987 julkaistussa lehdessä, joka käsittelee matoreiän kautta tapahtuvaa matkaa, hän toteaa, että Kerrin matoreiän kurkussa on alue, jota kutsutaan Cauchyn horisontiksi, joka on erittäin epävakaa. Matematiikan mukaan tunneli romahtaa heti, kun mikään, jopa valo, yrittää ohittaa tämän horisontin. Vaikka madonreikä voitaisiin jollain tavoin vakauttaa, kvantiteoria kertoo meille, että sisäpinta tulisi tulva korkean energian hiukkasilla. Aseta jalka Kerr-matoaukkoon, niin sinä paistetaan rapeaksi.

Temppu on se, että fysiikan ei ole vielä mennyt naimisiin klassisten painovoiman sääntöjen kanssa kvantimaailman kanssa - vaikeasti käsitettävän osan matematiikasta, jonka monet tutkijat yrittävät puristaa. Yhdessä kuvan kierteessä Juan Maldacena Princetonissa ja Leonard Susskind Stanfordissa ehdottivat, että madonreikät voivat olla kuin takertumisen fyysiset ilmenemismuodot, kun kvantiobjektit liittyvät toisiinsa riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan.

Einstein kuvasi takertumista kuuluisasti "kauhistuttavaksi toiminnaksi etäältä" ja vastusti ajatusta. Mutta monet kokeilut kertovat meille, että takertuminen on todellinen - sitä käytetään jo kaupallisesti online-viestinnän, kuten pankkitapahtumien, suojaamiseen. Maldacenan ja Susskindin mukaan suuret takertumismäärät muuttavat avaruusajan geometriaa ja voivat aiheuttaa madonreikiä takertuneiden mustien reikien muodossa. Mutta heidän versionsa ei ole tähtienvälistä yhdyskäytävää.

"Ne ovat madonreikiä, jotka eivät salli sinun matkustaa valoa nopeammin", Maldacena sanoo. "Ne voivat kuitenkin antaa sinun tavata jonkun sisällä pienellä varoituksella, jonka mukaan he molemmat sitten kuolevat painovoiman avulla."

OK, joten mustat aukot ovat ongelma. Mikä sitten madonreikä voi olla? Avi Loeb Harvard-Smithsonian astrofysiikan keskuksesta kertoo, että vaihtoehtomme ovat auki: "Koska meillä ei vielä ole teoriaa, joka yhdistäisi luotettavasti yleisen suhteellisuusteorian kvanttimekaniikkaan, emme tiedä koko eläintarhaa mahdollisista avaruusaikarakenteista, joihin mahtuu madonreikiä."

Siellä on vielä koukku. Thorne havaitsi vuoden 1987 teoksessaan, että kaikenlainen madonreiät, jotka ovat yhdenmukaisia ​​yleisen suhteellisuussuhteellisuuden kanssa, romahtavat, ellei niitä auta avaamaan se, mitä hän kutsuu "eksoottiseksi aineeksi" negatiivisella energialla. Hän väittää, että meillä on todisteita eksoottisesta aineesta kokeilujen avulla, jotka osoittavat, kuinka kvanttimuutokset tyhjössä näyttävät aiheuttavan negatiivista painetta kahden hyvin lähelle sijoitetun peilin välillä. Ja Loeb uskoo, että tumman energian havainnot ovat lisäohjeita eksoottisen aineen olemassaololle.

"Huomaamme, että viimeisen kosmisen historian aikana galaksit ovat paenneet meiltä nopeudella, joka kasvaa ajan myötä, ikään kuin ne olisivat toimineet heijastuttavan painovoiman avulla", Loeb sanoo. "Tämä maailmankaikkeuden nopeutettu laajentuminen voidaan selittää, jos maailmankaikkeus on täytetty aineella, jolla on negatiivinen paine ... aivan kuten matoreiän luomiseen tarvittava materiaali." Molemmat fyysikot ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että tarvitset liian paljon eksoottista ainetta, jotta madonreikä voisi muodostaa koskaan luonnollisesti, ja vain korkeasti edistynyt sivilisaatio voi koskaan toivoa keräävänsä tarpeeksi tavaraa madonreiän vakauttamiseksi.

Mutta muut fyysikot eivät ole vakuuttuneita. "Mielestäni vakaa, läpäisevä madonreikä olisi hyvin hämmentävä ja tuntuu olevan ristiriidassa tunnettujen fysiikkalakien kanssa", Maldacena sanoo. Sabine Hossenfelder Ruotsin teoreettisen fysiikan instituutista on vielä skeptisempi: "Meillä ei ole mitään viitteitä siitä, että sitä on olemassa. Itse asiassa yleisesti uskotaan, ettei sitä voi olla, sillä jos se tekisi tyhjiön, olisi epävakaa." Vaikka eksoottista ainetta olisi saatavana, sen läpi matkustaminen ei välttämättä ole hienoa. Tarkat vaikutukset riippuvat matoreiän ympärillä olevan avaruusajan kaarevuudesta ja sisällä olevan energian tiheydestä, hän sanoo. "Se on melko paljon kuin mustien reikien kohdalla: liian paljon vuorovesivoimia ja sinut repesi."

Huolimatta sidoksistaan ​​elokuvaan, Thorne on myös pessimistinen siitä, että kulkeva madonreikä on jopa mahdollista, paljon vähemmän selviytyväinen. "Jos niitä voi olla olemassa, epäilen hyvin, voivatko ne muodostaa luonnollisesti astrofysiikan universumissa", hän kirjoittaa kirjassa. Mutta Thorne arvostaa sitä, että Christopher ja Jonah Nolan, jotka kirjoittivat Interstellarin, olivat niin innokkaita kertomaan tarinan, joka perustuu tieteeseen.

"Tarina on nyt pääosin kaikki Chrisin ja Jonan", Thorne kertoi Wiredille yksinoikeudella haastattelussa. "Mutta sen henki, tavoite saada elokuva, jossa tiede on upotettu kankaaseen alusta alkaen - ja se on hieno tiede -, joka säilyi."