Kas astronaudid elaksid läbi tähtedevahelise ussi augu?

Interstellari kosmoseoperis on inimkonna päästmist otsivad astronaudid leidnud päästerõnga: Saturni kõrvale müstiliselt ilmunud ussiauk. Kosmoseaja kaudu kulgev tunnel viib kauge galaktikani ja võimaluse leida elamiskõlblikke planeete, mida inimesed saaksid koloniseerida. Filmi ussiauk põhineb reaalsel füüsikal, mille on andnud pensionile läinud CalTechi professor Kip Thorne, astrofüüsika pioneer, kes aitas ka Carl Saganil kujundada oma ussiava romaani Kontakt jaoks . Visualisatsioonid on uimastatavad ja neid ülistatakse kui kõige täpsemaid ussiavade ja mustade aukude simulatsioone filmis. Kuid tähtedevahelisse väljendusse sukeldumisel on üks aspekt, mida film ei käsitle: Kuidas te reisi üle elate?

Seotud sisu

• Stephen Hawking arvab, et suudame juuste abil lahendada suure musta augu müsteeriumi
• Füüsikud ehitasid usside augu magnetide jaoks
• Miks kuulub "tähtedevaheline" parima "realistliku" ulmefilmi panteoni
• Päris elus kõige lähem asi Mysti ussiaugu raamatule

Kuigi nad ei nimetanud seda selliseks, oli algseks ussiauguks Albert Einsteini ja tema abilise Nathan Roseni vaimusünnitus. Nad üritasid lahendada Einsteini üldrelatiivsusteooria võrrandid viisil, mis lõppkokkuvõttes viiks puhtalt matemaatilise mudelini kogu universumist, sealhulgas gravitatsiooni ja aineosakesed. Nende katse hõlmas ruumi kirjeldamist kahe geomeetrilise lehena, mis on ühendatud "sildadega" ja mida me tajume osakestena.

Teine füüsik Ludwig Flamm oli Einsteini võrrandite lahenduses 1916. aastal iseseisvalt avastanud sellised sillad. Kahjuks nende kõigi jaoks see "teooria kõigest" ei õnnestunud, sest teoreetilised sillad ei käitunud lõpuks pärisosakestena. Kuid Einsteini ja Roseni 1935. aasta raamat populariseeris tunneli kontseptsiooni läbi kosmoseaja kanga ja pani teisi füüsikuid mõtlema selle tagajärgedele tõsiselt.

Princetoni füüsik John Wheeler lõi termini "ussiauk" 1960ndatel, kui ta uuris Einstein-Roseni sildade mudeleid. Ta märkis, et sillad sarnanevad aukudega, mida ussid õunte kaudu kandsid. Õuna ühelt küljelt teisele roomav sipelgas võib nii kõverduda kogu selle kumera pinna ümber kui ka otsetee läbi ussi tunneli. Kujutage nüüd ette, et meie kolmemõõtmeline kosmoseaeg on õuna nahk, mis kõverdub ümber kõrgema mõõtme, mida nimetatakse "põhiosaks". Einsteini-Roseni sild on maht läbiva tunneli, mis võimaldab reisijatel liikuda kiirel teel kahe kosmosepunkti vahel. See kõlab kummaliselt, kuid see on üldise relatiivsusteooria legitiimne matemaatiline lahendus.

Wheeler mõistis, et Einstein-Roseni sildade suud vastavad hõlpsalt kirjeldustele selle kohta, mida nimetatakse Schwarzschildi mustaks auku - lihtsaks ainesfääriks, mis on nii tihe, et isegi valgus ei pääse selle gravitatsioonilisest tõmbest. Ah-ha! Astronoomid usuvad, et mustad augud on olemas ja moodustuvad, kui ülimalt massiivsete tähtede tuumad ise kokku varisevad. Kas mustad augud võivad olla ka ussiaugud ja seega väravad tähtedevahelise liikumise jaoks? Võib-olla matemaatiliselt öeldes - kuid keegi ei jää selle reisi jooksul ellu.

Schwarzschildi mudelis on musta augu tume süda ainsus, neutraalne, liikumatu, lõpmatu tihedusega kera. Wheeler arvutas välja, mis juhtuks siis, kui ussiauk sünniks, kui kaks ainsust universumi kaugemates osades sulanduksid lahtiselt, luues Schwarzschildi mustade aukude vahel tunneli. Ta leidis, et selline ussiauk on oma olemuselt ebastabiilne: tunnel moodustub, kuid siis see tõmbub kokku ja näputäis, jättes teile veel vaid kahe ainsuse. See kasvu- ja kokkutõmbumisprotsess toimub nii kiiresti, et isegi valgus ei tee seda tunnelist läbi ja läbi astuda prooviv astronaut kohtub ainulaadsusega. See on äkksurm, kuna tohutud gravitatsioonilised jõud rebiksid ränduri laiali.

"Kõik või keegi teine, kes seda proovib, hävitatakse näputäis!" Thorne kirjutab oma kaaslase raamatus filmile „ The Science of Interstellar“ .

Tähtedevaheline teadus

Amazon.com: tähtedevaheline teadus (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: raamatud

On olemas ka alternatiiv: pöörlev Kerri must auk, mis on veel üks võimalus üldrelatiivsuses. Kerri musta augu sees olev eripära on rõngas, mitte kera ja rõngas. Mõne mudeli järgi võiks inimene reisi üle elada, kui see läbib selle rõnga keskpunkti korralikult nagu korvpall läbi kõva. Thorne'il on selle mõtte suhtes siiski mitmeid vastuväiteid. 1987. aasta artiklis ussiava kaudu reisimise kohta märgib ta, et Kerri ussiaugu kurgus on piirkond, mida nimetatakse Cauchy silmapiiriks ja mis on väga ebastabiilne. Matemaatika ütleb, et niipea, kui midagi, isegi valgust, proovib sellest silmapiirist mööduda, kukub tunnel kokku. Isegi kui ussiauku saaks kuidagi stabiliseerida, ütleb kvantteooria meile, et sisemus peaks olema ujutatud suure energiaga osakestega. Pange jalg Kerri ussiauku ja te olete praetud krõbedaks.

Trikk on selles, et füüsika peab klassikaliste gravitatsioonireeglite ja kvantmaailma vahel ikkagi abielluma - see on matemaatika raskesti mõistetav osa, mida paljud teadlased üritavad välja tuua. Ühel pildi keerdkäigul pakkusid Princetoni Juan Maldacena ja Stanfordi Leonard Susskind välja, et ussiaugud võivad olla nagu takerdumise füüsilised ilmingud, kui kvantobjektid on ühendatud ükskõik kui kaugel nad asuvad.

Einstein kirjeldas takerdumist kuulsalt kui "õudset tegevust kaugelt" ja pidas seda mõistet vastu. Kuid arvukad eksperimendid ütlevad meile, et takerdumine on tõeline - seda kasutatakse juba äriliselt veebisuhtluse, näiteks pangatehingute, kaitsmiseks. Maldacena ja Susskindi sõnul muudavad suured takerdumisel olevad summad kosmoseaja geomeetriat ja võivad tekitada ussiavasid takerdunud mustade aukude kujul. Kuid nende versioon pole tähtedevaheline värav.

"Need on ussiaugud, mis ei võimalda teil valgusest kiiremini liikuda, " ütleb Maldacena. "Kuid need võivad lubada teil kohtuda kellegi sees oleva väikese hoiatusega, et nad mõlemad sureksid gravitatsioonilise eripära tõttu."

OK, nii et mustad augud on probleem. Mis siis ussiaug olla võib? Avi Loeb Harvard-Smithsoniani astrofüüsika keskuses ütleb, et meie võimalused on laiad: "Kuna meil pole veel teooriat, mis ühendaks üldrelatiivsuse usaldusväärselt kvantmehaanikaga, ei tea me tervet loomaaeda võimalikest kosmoseaja struktuuridest, mis mahuksid sinna ussiaugud ".

Ikka on konks. Thorne leidis oma 1987. aasta töös, et igat tüüpi üldrelatiivsusega kooskõlas olevad ussiaugud kukuvad kokku, kui seda ei avata negatiivse energiaga nn eksootiline aine. Ta väidab, et eksootilise aine kohta on meil tõendeid tänu katsetele, mis näitavad, kuidas vaakumi kvant kõikumised loovad negatiivse rõhu kahe peegli vahel, mis asetsevad üksteisele väga lähestikku. Ja Loeb arvab, et meie tähelepanekud tumeda energia kohta on veel vihjed eksootilise aine olemasolule.

"Me täheldame, et viimase kosmilise ajaloo jooksul on galaktikad jooksnud meist eemale kiirusega, mis aja jooksul suureneb, justkui tegutseks neile tõrjuv gravitatsioon, " ütleb Loeb. "See universumi kiirenenud laienemine on seletatav, kui universum on täidetud ainega, millel on negatiivne rõhk ... täpselt nagu ussiauku loomiseks vajalik materjal." Mõlemad füüsikud on siiski nõus, et ussiaugu loomuliku moodustumise jaoks oleks vaja liiga palju eksootilisi aineid ja ainult kõrgelt arenenud tsivilisatsioon võiks kunagi loota, et kogub piisavalt asju ussiaugu stabiliseerimiseks.

Kuid teised füüsikud pole selles veendunud. "Ma arvan, et stabiilne, läbitav ussiauk oleks väga segane ja tundub vastuolus meile teadaolevate füüsikaseadustega, " ütleb Maldacena. Sabine Hossenfelder Rootsi Põhjamaade Teoreetilise Füüsika Instituudis on veelgi skeptilisem: "Meil on täiesti olemas null, et see olemas on. Tõepoolest arvatakse laialt, et see ei saa eksisteerida, sest kui see tekiks, oleks vaakum ebastabiilne." Isegi kui eksootiline aine oleks olemas, ei pruugi sellest läbi reisimine sugugi ilus olla. Täpsed mõjud sõltuvad ussiauku ümbritseva ruumi aja kumerusest ja selles oleva energia tihedusest. "See on üsna nagu mustade aukude korral: liiga palju loodete jõudu ja te kipute laiali rebima."

Vaatamata oma sidemetele filmiga on Thorne pessimistlik ka selles, et läbitav ussiauk on isegi võimalik, palju vähem ellujäätav. "Kui need võivad eksisteerida, kahtlen väga, kas nad võivad astrofüüsilises universumis loomulikult moodustuda, " kirjutab ta raamatus. Kuid Thorne hindab seda, et Christopher ja Jonah Nolan, kes kirjutasid Interstellarist, olid nii innukad, et räägiksid teaduse aluseks olevat lugu.

"See lugu on nüüd põhimõtteliselt kogu Chrisi ja Joona oma, " rääkis Thorne Wiredile eksklusiivintervjuus. "Kuid selle mõte ja eesmärk - omada filmi, milles teadus on algusest peale kangasse kantud - ja see on suurepärane teadus - säilitati."