Οι αστροναύτες θα επιβιώσουν ένα διαστρικό ταξίδι μέσα από μια σκουληκότρυπα;

Στη διαστημική όπερα Interstellar, οι αστροναύτες που επιδιώκουν να σώσουν την ανθρωπότητα έχουν βρει μια σωτηρία: μια σκουληκότρυπα που έχει μυστηριωδώς εμφανιστεί δίπλα στον Κρόνο. Η σήραγγα μέσω του χωροχρόνου οδηγεί σε έναν μακρινό γαλαξία και την ευκαιρία να βρούμε κατοικήσιμους πλανήτες που οι άνθρωποι μπορούν να αποικίσουν. Η σκουληκότρυπα της ταινίας βασίζεται στην πραγματική φυσική από τον συνταξιούχο καθηγητή CalTech Kip Thorne, πρωτοπόρο στην αστροφυσική που βοήθησε επίσης τον Carl Sagan να σχεδιάσει την σκουληκότρυπα του για τη νέα επικοινωνία . Οι απεικονίσεις είναι εκπληκτικές και χαιρετίζονται ως μερικές από τις πιο ακριβείς προσομοιώσεις των σκουληκιών και των μαύρων τρυπών στην ταινία. Αλλά υπάρχει μια πτυχή της βύθισης σε μια διαστειριακή έκφραση ότι η ταινία δεν απευθύνεται: Πώς επιβιώνετε το ταξίδι;

σχετικό περιεχόμενο

• Ο Stephen Hawking σκέφτεται ότι μπορούμε να λύσουμε ένα σημαντικό μυστήριο μαύρης τρύπας με τα μαλλιά
• Οι φυσικοί έχτισαν μια σκουληκότρυπα για μαγνήτες
• Γιατί η "Διαστρική" ανήκει στο Πάνθεον των Καλύτερων "Ρεαλιστικών" Φανταστικών Ταινιών
• Το πλησιέστερο πράγμα στην πραγματική ζωή στο βιβλίο του Wormhole Myst

Αν και δεν το ονόμαζαν τέτοιο, η αρχική σκουληκότρυπα ήταν το πνευματικό τέκνο του Albert Einstein και του βοηθού του Nathan Rosen. Προσπαθούσαν να λύσουν τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για γενική σχετικότητα με τρόπο που τελικά θα οδηγούσε σε ένα καθαρά μαθηματικό μοντέλο ολόκληρου του σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας και των σωματιδίων που συνθέτουν την ύλη. Η προσπάθειά τους περιλάμβανε την περιγραφή του χώρου ως δύο γεωμετρικά φύλλα που συνδέονται με "γέφυρες", τα οποία αντιλαμβανόμαστε ως σωματίδια.

Ένας άλλος φυσικός, Ludwig Flamm, είχε ανακαλύψει ανεξάρτητα τέτοιες γέφυρες το 1916 στη λύση του στις εξισώσεις του Αϊνστάιν. Δυστυχώς για όλους αυτούς, αυτή η «θεωρία των πάντων» δεν λειτούργησε, επειδή οι θεωρητικές γέφυρες τελικά δεν συμπεριφέρθηκαν σαν πραγματικά σωματίδια. Αλλά το χαρτί του Αϊνστάιν και του Ρόσεν, το 1935, διάλεξε την έννοια της σήραγγας μέσα από τον ιστό του χωροχρόνου και πήρε άλλους φυσικούς να σκεφτούν σοβαρά τις συνέπειες.

Ο φυσικός του Princeton John Wheeler εφάρμοσε τον όρο "σκουληκότρυπα" στη δεκαετία του 1960 όταν εξερευνούσε τα μοντέλα των γεφυρών Αϊνστάιν-Ρόζεν. Σημείωσε ότι οι γέφυρες είναι παρόμοιες με τις τρύπες που τα σκουλήκια έφεραν μέσα από τα μήλα. Ένα μυρμήγκι που σέρνεται από τη μία πλευρά του μήλου σε ένα άλλο μπορεί είτε να χτυπήσει ολόκληρη την κυρτή επιφάνεια του, είτε να κάνει μια συντόμευση μέσω της σήραγγας του σκουληκιού. Τώρα φανταστείτε τον τρισδιάστατο χωροχρόνο μας είναι το δέρμα ενός μήλου που καμπυλώνει γύρω από μια ανώτερη διάσταση που ονομάζεται "ο όγκος". Μια γέφυρα του Einstein-Rosen είναι μια σήραγγα μέσω του όγκου που επιτρέπει στους ταξιδιώτες να πάρουν μια γρήγορη λωρίδα μεταξύ δύο σημείων στο διάστημα. Ακούγεται περίεργο, αλλά είναι μια νόμιμη μαθηματική λύση στη γενική σχετικότητα.

Ο Wheeler συνειδητοποίησε ότι τα στόμια των γεφυρών Einstein-Rosen ταιριάζουν απόλυτα με τις περιγραφές της μαύρης τρύπας Schwarzschild, μιας απλής σφαίρας τόσο πυκνής ώστε να μην μπορεί να διαφύγει ούτε το φως της βαρυτικής έλξης. Αχ-χα! Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες και σχηματίζονται όταν οι πυρήνες των εξαιρετικά μαζικών αστεριών καταρρέουν στον εαυτό τους. Έτσι θα μπορούσαν επίσης οι μαύρες τρύπες να είναι σκουληκότρυπες και έτσι οι πύλες για διαστρικό ταξίδι; Μαθηματικά, ίσως, αλλά κανείς δεν θα επιβιώσει από το ταξίδι.

Στο μοντέλο του Schwarzschild, η σκοτεινή καρδιά μιας μαύρης τρύπας είναι μια μοναδικότητα, μια ουδέτερη, μη κινητήρια σφαίρα με άπειρη πυκνότητα. Ο Wheeler υπολόγισε τι θα συνέβαινε αν γεννηθεί μια σκουληκότρυπα όταν δύο μοναδικότητες σε μακρινά μέρη του σύμπαντος συγχωνεύονται στο μεγαλύτερο μέρος, δημιουργώντας μια σήραγγα ανάμεσα στις μαύρες τρύπες του Schwarzschild. Διαπίστωσε ότι μια τέτοια σκουληκότρυπα είναι εγγενώς ασταθής: η σήραγγα σχηματίζεται, αλλά στη συνέχεια συστέλλεται και απομακρύνεται, αφήνοντάς σας για μια ακόμη φορά με δύο μόνο ιδιότητες. Αυτή η διαδικασία ανάπτυξης και συστολής συμβαίνει τόσο γρήγορα που δεν φτάνει ούτε το φως μέσα από τη σήραγγα και ένας αστροναύτης που προσπαθεί να περάσει θα συναντήσει μια μοναδικότητα. Αυτός είναι ο αιφνίδιος θάνατος, καθώς οι τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις θα έσπασαν τον ταξιδιώτη.

"Οτιδήποτε ή οποιοσδήποτε επιχειρεί το ταξίδι θα καταστραφεί με το τσίμπημα!" Ο Thorne γράφει στο συνοδευτικό του βιβλίο στην ταινία, The Science of Interstellar .

Η Επιστήμη της Διαστειρικής

Amazon.com: Η επιστήμη της διαστρικό (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Βιβλία

Υπάρχει μια εναλλακτική λύση: μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα Kerr, η οποία είναι μια άλλη δυνατότητα γενικής σχετικότητας. Η ιδιαιτερότητα μέσα σε μια μαύρη τρύπα Kerr είναι ένα δαχτυλίδι σε αντίθεση με μια σφαίρα, και μερικά μοντέλα υποδεικνύουν ότι ένα άτομο θα μπορούσε να επιβιώσει από το ταξίδι αν περάσει τακτοποιημένα μέσα από το κέντρο αυτού του δακτυλίου σαν μπάσκετ μέσα από ένα στεφάνι. Ωστόσο, ο Thorne έχει αρκετές αντιρρήσεις σχετικά με αυτήν την ιδέα. Σε ένα έγγραφο του 1987 σχετικά με το ταξίδι μέσω σκουληκότρυπας, σημειώνει ότι ο λαιμός μιας σκουληκότρυπα Kerr περιέχει μια περιοχή που ονομάζεται ορίζοντας Cauchy που είναι πολύ ασταθής. Το μάθημα λέει ότι μόλις οτιδήποτε, ακόμα και φως, προσπαθήσει να περάσει από αυτόν τον ορίζοντα, η σήραγγα καταρρέει. Ακόμη και αν η σκουληκότρυπα μπορούσε να σταθεροποιηθεί κάπως, η κβαντική θεωρία μας λέει ότι το εσωτερικό πρέπει να πλημμυρίσει με σωματίδια υψηλής ενέργειας. Βάλτε το πόδι σε μια σκουληκότρυπα Kerr και θα τηγανίσετε σε μια τραγανή.

Το τέχνασμα είναι ότι η φυσική δεν έχει ακόμη παντρευτεί τους κλασσικούς κανόνες βαρύτητας με τον κβαντικό κόσμο, ένα απατηλό κομμάτι των μαθηματικών που πολλοί ερευνητές προσπαθούν να πετύχουν. Σε μια συστροφή στην εικόνα, ο Juan Maldacena στο Princeton και ο Leonard Susskind στο Στάνφορντ πρότειναν ότι οι σκουληκότρυπες μπορεί να είναι σαν τις φυσικές εκδηλώσεις της εμπλοκής όταν τα κβαντικά αντικείμενα συνδέονται ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι.

Ο Αϊνστάιν περιέγραψε την εμπλοκή ως "τρομακτική δράση σε απόσταση" και αντιστάθηκε στην έννοια. Αλλά πολλά πειράματα μας λένε ότι η εμπλοκή είναι πραγματική - χρησιμοποιείται ήδη εμπορικά για την προστασία των επιγραμμικών επικοινωνιών, όπως οι τραπεζικές συναλλαγές. Σύμφωνα με τα Maldacena και Susskind, μεγάλα ποσά για την εμπλοκή αλλάζουν τη γεωμετρία του χωροχρόνου και μπορούν να προκαλέσουν σκουληκότρυπες υπό μορφή ματαιωμένων μαύρων τρυπών. Αλλά η έκδοσή τους δεν είναι διαστρική πύλη.

"Είναι σκουληκότρυπες που δεν σας επιτρέπουν να ταξιδεύετε ταχύτερα από το φως", λέει ο Maldacena. "Εντούτοις, μπορούν να σας επιτρέψουν να συναντήσετε κάποιον στο εσωτερικό, με το μικρό προειδοποιητικό ότι θα έπεφταν και οι δύο στη βαρυτική μοναδικότητα".

Εντάξει, οι μαύρες τρύπες αποτελούν πρόβλημα. Τι, λοιπόν, μπορεί να είναι μια σκουληκότρυπα; Ο Avi Loeb στο Κέντρο Αστροφυσικής του Harvard-Smithsonian αναφέρει ότι οι επιλογές μας είναι ευρέως ανοιχτές: "Επειδή δεν έχουμε ακόμα μια θεωρία που να ενοποιεί αξιόπιστα τη γενική σχετικότητα με την κβαντική μηχανική, δεν γνωρίζουμε ολόκληρο τον ζωολογικό κήπο πιθανών δορυφορικών δομών που θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν σκουληκότρυπες ".

Υπάρχει ακόμα ένα πρόβλημα. Ο Thorne βρήκε στο έργο του του 1987 ότι κάθε τύπος σκουληκότρυπας που είναι συνεπής με τη γενική σχετικότητα θα καταρρεύσει αν δεν υποστηρίζεται από αυτό που ονομάζει «εξωτική ύλη» με αρνητική ενέργεια. Υποστηρίζει ότι έχουμε αποδείξεις εξωτικής ύλης χάρη σε πειράματα που δείχνουν πως οι κβαντικές διακυμάνσεις σε κενό φαίνεται να δημιουργούν αρνητική πίεση ανάμεσα σε δύο καθρέφτες τοποθετημένους πολύ κοντά μεταξύ τους. Και ο Loeb πιστεύει ότι οι παρατηρήσεις μας σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια υποδηλώνουν περαιτέρω ότι μπορεί να υπάρχει εξωτική ύλη.

"Παρατηρούμε ότι πάνω από την πρόσφατη κοσμική ιστορία, οι γαλαξίες έχουν τρέξει μακρυά από εμάς με ταχύτητα που αυξάνεται με τον καιρό, σαν να δούλευαν με απωθητική βαρύτητα", λέει ο Loeb. "Αυτή η επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος μπορεί να εξηγηθεί αν το σύμπαν γεμίσει με μια ουσία που έχει αρνητική πίεση ... ακριβώς όπως το υλικό που χρειάζεται για να δημιουργηθεί μια σκουληκότρυπα". Και οι δύο φυσικοί συμφωνούν ότι θα χρειαστείτε πάρα πολύ εξωτική ύλη για μια σκουληκότρυπα που θα σχηματιστεί ποτέ φυσικά και μόνο ένας εξαιρετικά προηγμένος πολιτισμός θα μπορούσε ποτέ να ελπίζει να συγκεντρώσει αρκετά από αυτά για να σταθεροποιήσει μια σκουληκότρυπα.

Αλλά άλλοι φυσικοί δεν είναι πεπεισμένοι. "Νομίζω ότι μια σταθερή, διαστρέψιμη σκουληκότρυπα θα ήταν πολύ συγκεχυμένη και φαίνεται να είναι ασυμβίβαστη με τους φυσικούς νόμους που γνωρίζουμε", λέει ο Maldacena. Η Sabine Hossenfelder στο Σκανδιναβικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Σουηδία είναι ακόμα πιο επιφυλακτική: «Έχουμε απολύτως μηδενική ένδειξη ότι υπάρχει κάτι τέτοιο.» Πιστεύεται ευρέως ότι δεν μπορεί να υπάρξει, γιατί αν το κενό θα ήταν ασταθές ». Ακόμα κι αν υπήρχε εξωτική ύλη, το ταξίδι μέσα από αυτό μπορεί να μην είναι όμορφο. Τα ακριβή αποτελέσματα θα εξαρτηθούν από την καμπυλότητα του χωροχρόνου γύρω από την σκουληκότρυπα και την πυκνότητα της ενέργειας μέσα, λέει. "Είναι σχεδόν όπως και με τις μαύρες τρύπες: πάρα πολύ παλιρροϊκές δυνάμεις και εσείς παίρνετε σχισμένοι."

Παρά τους δεσμούς του με την ταινία, ο Thorne είναι επίσης απαισιόδοξος ότι μπορεί να είναι δυνατή και μια διαστρέψιμη σκουληκότρυπια, πολύ λιγότερο επιβιώσιμη. «Αν μπορούν να υπάρξουν, αμφιβάλλω πολύ ότι μπορούν να σχηματιστούν φυσικά στο αστροφυσικό σύμπαν», γράφει στο βιβλίο. Αλλά ο Thorne εκτιμά ότι ο Christopher και ο Jonah Nolan, που έγραψαν το Interstellar, ήταν τόσο πρόθυμοι να μιλήσουν σε μια ιστορία που βασίζεται στην επιστήμη.

"Η ιστορία είναι τώρα ουσιαστικά όλος ο Chris και ο Jonas", δήλωσε ο Thorne σε μια αποκλειστική συνέντευξη στην Wired . "Αλλά το πνεύμα του, ο στόχος να έχει μια ταινία στην οποία η επιστήμη είναι ενσωματωμένη στο ύφασμα από την αρχή - και είναι μεγάλη επιστήμη - που διατηρήθηκε".