Este curbată, iar gravitația, familiară tuturor, este o manifestare a acestei proprietăți. Materia se îndoaie, „îndoaie” spațiul din jurul său și cu cât este mai mult, cu atât este mai dens. Spațiul, spațiul și timpul sunt toate subiecte foarte interesante. După ce ai citit acest articol, cu siguranță vei afla ceva nou despre ei.
Ideea de curbură
Multe alte teorii ale gravitației, dintre care există sute astăzi, diferă în detalii de relativitatea generală. Cu toate acestea, toate aceste ipoteze astronomice păstrează principalul lucru - ideea de curbură. Dacă spațiul este curbat, atunci putem presupune că ar putea lua, de exemplu, forma unei țevi care leagă regiuni care sunt separate de mulți ani lumină. Și poate chiar epoci care sunt departe unele de altele. Până la urmă, nu vorbim despre spațiu, care ne este familiar, ci despre spațiu-timp când ne gândim la spațiu. O gaură în ea poate apărea numai în anumite condiții. Vă invităm să aruncați o privire mai atentă asupra unui fenomen atât de interesant precum găurile de vierme.
Primele idei despre găurile de vierme
Spațiul îndepărtat și misterele sale vă fac semne. Gândurile despre curbură au apărut imediat după publicarea relativității generale. L. Flamm, un fizician austriac, spunea deja în 1916 că geometria spațială poate exista sub forma unui fel de gaură care leagă două lumi. Matematicianul N. Rosen și A. Einstein au observat în 1935 că cele mai simple soluții de ecuații din cadrul relativității generale, care descriu surse izolate încărcate electric sau neutre, care creează au o structură spațială de „punte”. Adică, ele conectează două universuri, două spațiu-timp aproape plate și identice.
Mai târziu, acestea structuri spațiale a început să fie numit „găuri de vierme”, care este o traducere destul de liberă din de limba engleză cuvinte găuri de vierme. O traducere mai apropiată a acesteia este „găura de vierme” (în spațiu). Rosen și Einstein nici măcar nu au exclus posibilitatea de a folosi aceste „punți” pentru a descrie particulele elementare cu ajutorul lor. Într-adevăr, în acest caz, particula este o formațiune pur spațială. În consecință, nu va fi nevoie să simulăm intenționat sursa de încărcare sau masa. Și un observator extern de la distanță, dacă o gaură de vierme are dimensiuni microscopice, vede doar o sursă punctuală cu sarcină și masă atunci când se află într-unul dintre aceste spații.
„Poduri” Einstein-Rosen
Pe de o parte, liniile electrice de forță intră în gaură și, pe de altă parte, ies fără să se termine sau să înceapă nicăieri. J. Wheeler, un fizician american, spunea în acest sens că se obțin „încărcare fără sarcină” și „masă fără masă”. Nu este deloc necesar în acest caz să presupunem că puntea servește la conectarea a două universuri diferite. Ar fi nu mai puțin potrivit să presupunem că la o gaură de vierme, ambele „guri” ies în același univers, dar în timpuri diferiteși în diferitele sale puncte. Se dovedește ceva care seamănă cu un „mâner” gol dacă îl coaseți într-o lume familiară aproape plată. Liniile de forță intră în gură, ceea ce poate fi înțeles ca o sarcină negativă (de exemplu, un electron). Gura din care ies are o sarcină pozitivă (pozitron). În ceea ce privește masele, acestea vor fi aceleași de ambele părți.
Condiții pentru formarea podurilor Einstein-Rosen
Această imagine, cu toată atractivitatea ei, nu a devenit larg răspândită în fizica particulelor elementare, pentru care au existat multe motive. Nu este ușor să atribui proprietăți cuantice „podurilor” Einstein-Rosen, care sunt indispensabile în microcosmos. O astfel de „punte” nu se formează deloc la valorile cunoscute ale sarcinilor și maselor particulelor (protoni sau electroni). Soluția „electrică” prezice în schimb o singularitate „goală”, adică punctul în care câmpul electric și curbura spațiului devin infinite. În astfel de puncte, conceptul de spațiu-timp, chiar și în cazul curburii, își pierde sensul, deoarece este imposibil de rezolvat ecuații care au un set infinit de termeni.
Când nu funcționează relativitatea generală?
Prin ea însăși, relativitatea generală afirmă cu siguranță când nu mai funcționează. La gât, în partea cea mai îngustă a „podului”, există o încălcare a netezimii conexiunii. Și trebuie spus că este destul de netrivial. Din poziția unui observator îndepărtat, timpul se oprește la acest gât. Ceea ce Rosen și Einstein considerau gâtul este acum definit ca orizontul de evenimente al unei găuri negre (încărcate sau neutre). Raze sau particule din diferite părți ale „podului” lovesc diferite „secțiuni” ale orizontului. Și între părțile din stânga și din dreapta ale acestuia, relativ vorbind, există o zonă non-statică. Pentru a trece de o zonă, nu se poate să nu o depășești.
Incapacitatea de a trece printr-o gaură neagră
Nava spațială, care se apropie de orizontul unei găuri negre destul de mari în raport cu aceasta, pare să înghețe pentru totdeauna. Semnalele de la acesta ajung din ce în ce mai rar... Dimpotrivă, orizontul conform ceasului navei este atins într-un timp finit. Când o navă (o rază de lumină sau o particulă) trece pe lângă ea, în curând se va întâlni cu o singularitate. Aici curbura devine infinită. Într-o singularitate (încă în drum spre ea), un corp extins va fi inevitabil sfâșiat și zdrobit. Aceasta este realitatea unui dispozitiv cu găuri negre.
Cercetări ulterioare
În 1916-17. S-au obţinut soluţii Reisner-Nordström şi Schwarzschild. Ele descriu găuri negre neutre și încărcate electric simetrice sferic. Cu toate acestea, fizicienii au putut înțelege pe deplin geometria complexă a acestor spații abia la începutul anilor 1950-1960. Atunci DA Wheeler, cunoscut pentru munca sa în teoria gravitației și a fizicii nucleare, a inventat termenii „găură de vierme” și „găură neagră”. S-a dovedit că există găuri de vierme în spațiu în spațiile Reisner-Nordstrom și Schwarzschild. Ele sunt complet invizibile pentru un observator îndepărtat, precum găurile negre. Și ca și ei, găurile de vierme din spațiu sunt eterne. Dar dacă un călător pătrunde în orizont, ele se prăbușesc atât de repede încât nici o rază de lumină, nici o particulă masivă și nici măcar o navă nu poate zbura prin ele. Pentru a zbura într-o altă gură, ocolind singularitatea, trebuie să te miști mai rapid decat lumina... În prezent, fizicienii cred că vitezele supernovelor de mișcare a energiei și materiei sunt fundamental imposibile.
Schwarzschild și Reisner-Nordstrom
Gaura neagră Schwarzschild poate fi considerată o gaură de vierme de netrecut. În ceea ce privește gaura neagră Reisner-Nordstrom, aceasta este ceva mai complicată, dar și impracticabilă. Cu toate acestea, nu este greu să veniți cu și să descrieți găuri de vierme cu patru dimensiuni din spațiu care pot fi traversate. Trebuie doar să alegeți tipul de măsură necesar. Tensorul metric, sau metrica, este un set de cantități care pot fi utilizate pentru a calcula intervalele de patru dimensiuni care există între punctele evenimentului. Acest set de mărimi caracterizează, de asemenea, pe deplin câmpul gravitațional și geometria spațiului-timp. Găurile de vierme care se pot plimba geometric din spațiu sunt chiar mai simple decât găurile negre. Nu au orizonturi care să ducă la cataclisme odată cu trecerea timpului. În momente diferite, timpul poate merge într-un ritm diferit, dar nu ar trebui să se oprească sau să accelereze la nesfârșit.
Două linii de cercetare pentru găurile de vierme
Natura a pus o barieră în calea apariției găurilor de vierme. Cu toate acestea, o persoană este construită în așa fel încât, dacă există un obstacol, vor exista întotdeauna cei care vor să-l depășească. Și oamenii de știință nu fac excepție. Lucrările teoreticienilor care studiază găurile de vierme pot fi împărțite condiționat în două direcții care se completează reciproc. Prima se referă la consecințele lor, presupunând în prealabil că găurile de vierme există. Reprezentanții celei de-a doua direcții încearcă să înțeleagă din ce și cum pot apărea, ce condiții sunt necesare pentru apariția lor. Sunt mai multe lucrări în această direcție decât prima și, poate, sunt mai interesante. Această zonă include căutarea modelelor de găuri de vierme, precum și studiul proprietăților acestora.
Realizările fizicienilor ruși
După cum sa dovedit, proprietățile materiei, care este materialul pentru construcția găurilor de vierme, pot fi realizate datorită polarizării vidului câmpurilor cuantice. Fizicienii ruși Serghei Sușkov și Arkadi Popov, împreună cu cercetătorul spaniol David Hochberg, precum și Serghei Krasnikov, au ajuns recent la această concluzie. Vidul în acest caz nu este gol. Aceasta este o stare cuantică caracterizată de cea mai scăzută energie, adică un câmp în care nu există particule reale. În acest domeniu apar în mod constant perechi de particule „virtuale”, dispărând înainte de a fi detectate de dispozitive, dar lăsându-și urma sub forma unui tensor de energie, adică un impuls caracterizat prin proprietăți neobișnuite. În ciuda faptului că proprietățile cuantice ale materiei se manifestă în principal în microcosmos, găurile de vierme generate de acestea, în anumite condiții, pot atinge dimensiuni semnificative. Unul dintre articolele lui Krasnikov, apropo, se numește „Amenințarea găurilor de vierme”.
Întrebare de filozofie
În cazul în care găurile de vierme ar fi construite sau descoperite vreodată, domeniul filosofiei legat de interpretarea științei se va confrunta cu noi provocări și, trebuie să spun, foarte dificile. Cu toată absurditatea aparentă a buclelor de timp și a problemelor dificile legate de cauzalitate, acest domeniu al științei este probabil să rezolve situația într-o zi. Așa cum și-au dat seama la vremea lor de problemele mecanicii cuantice și de spațiul, spațiul și timpul creat - toate aceste întrebări din toate epocile au interesat oamenii și, aparent, ne vor interesa mereu. Cu greu va fi posibil să le cunoaștem pe deplin. Este puțin probabil ca explorarea spațiului să fie finalizată vreodată.
Deși Einstein credea că găurile negre sunt prea incredibile și nu pot exista în natură, mai târziu, așa este ironia destinului, el a arătat că sunt chiar mai bizare decât și-ar fi putut imagina oricine. Einstein a explicat posibilitatea existenței unor „portale” spațiu-timp în adâncurile găurilor negre. Fizicienii numesc aceste portaluri găuri de vierme pentru că, asemenea unui vierme care se îngroapă în pământ, ele creează o cale alternativă mai scurtă între două puncte. Aceste portaluri sunt uneori numite și portaluri sau „porți” către alte dimensiuni. Oricum le-ați numi, ele pot deveni într-o zi un mijloc de călătorie între dimensiuni diferite, dar acesta este un caz extrem.
Primul care a popularizat ideea de portaluri a fost Charles Dodgson, care a scris sub pseudonimul Lewis Carroll. În Alice Through the Looking Glass, el și-a imaginat un portal sub forma unei oglinzi care face legătura între suburbiile Oxford și Țara Minunilor. Din moment ce Dodgson era matematician și preda la Oxford, era conștient de aceste spații multiconectate. Prin definiție, un spațiu multiconectat este de așa natură încât lasoul din el nu poate fi contractat la dimensiunea unui punct. De obicei, orice buclă poate fi trasă cu ușurință la un punct. Dar dacă luăm în considerare, de exemplu, o gogoașă în jurul căreia se înfășoară un laso, vom vedea că lasoul va strânge această gogoașă. Când începem să strângem încet bucla, vom vedea că nu poate fi strânsă la dimensiunea unui punct; în cel mai bun caz, poate fi tras în jos până la circumferința gogoșii comprimate, adică până la circumferința „găurii”.
Matematicienii au fost încântați de faptul că au fost capabili să găsească un obiect care era complet inutil în descrierea spațiului. Dar în 1935, Einstein și studentul său Nathan Rosen au prezentat teoria portalurilor către lumea fizică. Ei au încercat să folosească soluția la problema găurii negre ca model pentru particulele elementare. Lui Einstein însuși nu i-a plăcut niciodată teoria lui Newton conform căreia gravitația unei particule tinde spre infinit pe măsură ce se apropie de ea. Einstein credea că această singularitate ar trebui eradicată pentru că nu are sens.
Einstein și Rosen au avut idee originală imaginați-vă un electron (care era de obicei considerat ca un punct minuscul fără structură) ca o gaură neagră. Astfel, relativitatea generală ar putea fi folosită pentru a explica misterele lumii cuantice în teoria câmpului unificat. Au început cu o soluție pentru o gaură neagră standard, care seamănă cu o vază mare, cu gât lung. Apoi au tăiat „gâtul” și l-au conectat la o altă soluție particulară a ecuațiilor pentru o gaură neagră, adică o vază care a fost întoarsă cu susul în jos. Potrivit lui Einstein, această configurație bizară, dar echilibrată, ar fi liberă de singularitatea de la originea găurii negre și ar putea acționa ca un electron.
Din păcate, ideea lui Einstein de a reprezenta electronul ca o gaură neagră a eșuat. Dar astăzi cosmologii sugerează că podul Einstein-Rosen poate servi drept „poartă” între cele două universuri. Ne putem deplasa liber în jurul Universului până când cădem accidental într-o gaură neagră, unde suntem imediat târâți printr-un portal și ne apărăm pe cealaltă parte (trecând printr-o gaură „albă”).
Pentru Einstein, orice soluție a ecuațiilor sale, dacă a pornit de la un punct de referință fizic probabil, trebuia să corespundă unui obiect fizic probabil. Dar nu era îngrijorat de cine va cădea într-o gaură neagră și va ajunge într-un univers paralel. Forțele mareelor ar crește infinit în centru, iar câmpul gravitațional ar smulge imediat atomii oricărui obiect care a avut ghinionul de a cădea într-o gaură neagră. (Podul Einstein-Rosen se deschide într-o fracțiune de secundă, dar se închide atât de repede încât niciun obiect nu poate trece atât de repede încât să ajungă de cealaltă parte.) Potrivit lui Einstein, deși existența unor portaluri și, eventual, o ființă vie poate nu trece niciodată prin niciuna dintre ele și vorbește despre experiențele tale în timpul acestei călătorii.
Podul Einstein-Rosen. În centrul găurii negre există un „gât” care se conectează cu spațiul-timp al altui univers sau alt punct din universul nostru. În timp ce călătoria printr-o gaură neagră staționară ar fi fatală, găurile negre care se rotesc au o singularitate inelară care ar permite trecerea prin inel și prin podul Einstein-Rosen, deși aceasta este încă în stadiu de speculație.
Descrierea relativistă a găurilor negre apare în lucrarea lui Karl Schwarzschild. În 1916, la doar câteva luni după ce Einstein și-a scris celebrele ecuații, Schwarzschild a reușit să găsească o soluție exactă pentru ele și să calculeze câmpul gravitațional al unui masiv staționar: o stea.
Soluția lui Schwarzschild a avut mai multe caracteristici interesante... În primul rând, există un „punct fără întoarcere” în jurul găurii negre. Orice obiect care se apropie de o distanță mai mică decât această rază va fi inevitabil tras într-o gaură neagră, nu va putea scăpa. O persoană care nu are norocul să se afle în raza Schwarzschild va fi capturată de o gaură neagră și zdrobită până la moarte. În prezent, această distanță de la gaura neagră se numește raza Schwarzschild, sau orizontul evenimentelor(punctul vizibil cel mai îndepărtat).
În al doilea rând, oricine din raza Schwarzschild va găsi un „univers oglindă” pe „cealaltă parte” a spațiu-timpului (Figura 10.2). Einstein nu era îngrijorat de existența acestui univers bizar în oglindă, deoarece comunicarea cu el era imposibilă. Orice sondă spațială trimisă în centrul unei găuri negre se va ciocni cu o curbură infinită; cu alte cuvinte, câmpul gravitațional va fi infinit și orice obiect material va fi distrus. Electronii vor fi smulși din atomi și chiar și protonii și neutronii din nucleu vor fi îndepărtați în direcții diferite. În plus, pentru a pătrunde într-un alt univers, sonda ar trebui să zboare cu o viteză care depășește viteza luminii, ceea ce este imposibil. Astfel, deși universul oglindă este necesar din punct de vedere matematic pentru înțelegerea soluției Schwarzschild, nu va fi niciodată observat fizic.
Orez. 10.2. Podul Einstein-Rosen conectează două universuri diferite. Einstein credea că orice rachetă care se găsește pe acest pod va fi distrusă, ceea ce înseamnă că comunicarea între aceste două universuri este imposibilă. Dar calculele ulterioare au arătat că călătoria pe platformă, deși extrem de dificilă, este totuși posibilă.
Drept urmare, faimosul pod Einstein-Rosen care leagă două universuri (numit după Einstein și co-autorul său Nathan Rosen) este considerat un mod matematic. Acest pod este necesar pentru a obține o teorie consistentă din punct de vedere matematic a găurilor negre, dar este imposibil să ajungeți la universul oglindă prin podul Einstein-Rosen. Podurile Einstein-Rosen au fost descoperite curând în alte soluții ale ecuațiilor gravitaționale, cum ar fi soluția Reisner-Nordström pentru o gaură neagră cu incarcare electrica... Cu toate acestea, podul Einstein-Rosen a rămas o aplicație interesantă, dar uitată, la teoria relativității.
Situația a început să se schimbe odată cu apariția lucrării matematicianului neozeelandez Roy Kerr, care în 1963 a găsit o altă soluție exactă a ecuațiilor lui Einstein. Kerr credea că orice stea care se prăbușește se rotește. Asemenea unui patinator care se învârte a cărui viteză crește pe măsură ce își trage brațele împotriva lui, steaua se va învârti inevitabil mai repede pe măsură ce implodește. Astfel, soluția staționară Schwarzschild pentru găurile negre nu a fost cea mai relevantă din punct de vedere fizic pentru ecuațiile lui Einstein.
Soluția lui Kerr a devenit o senzație în materie de relativitate. Astrofizicianul Subramanian Chandrasekhar a spus odată:
Cel mai uluitor eveniment din întreaga mea viață științifică, adică mai bine de patruzeci și cinci de ani, a fost realizarea faptului că soluția exactă a ecuațiilor teoriei generale a relativității a lui Einstein, descoperită de matematicianul neozeelandez Roy Kerr, oferă o soluție absolut exactă. reprezentare a multitudinii de găuri negre masive care umplu universul... Această „uimire a frumosului”, acest fapt incredibil la care descoperirea la care a dus-o căutarea frumuseții în matematică, și-a găsit copia exactă în Natură, mă conving că frumusețea este la care mintea umană răspunde la cel mai profund, mai semnificativ nivel.
Cu toate acestea, Kerr a descoperit că o stea masivă rotativă nu s-a prăbușit într-un punct. În schimb, steaua care se învârte se aplatizează până când în cele din urmă devine un inel cu proprietăți remarcabile. Dacă lansați o sondă într-o gaură neagră din lateral, aceasta va lovi acest inel și va fi complet distrusă. Curbura spațiu-timp rămâne infinită dacă te apropii de inel din lateral. Dacă pot să spun așa, centrul este încă înconjurat de „inelul morții”. Dar dacă lansați o sondă spațială în inel de sus sau de jos, aceasta va trebui să se ocupe de o curbură mare, dar finită; cu alte cuvinte, forța gravitațională nu va fi infinită.
Această concluzie foarte neașteptată a soluției lui Kerr înseamnă că orice sondă spațială lansată într-o gaură neagră rotativă de-a lungul axei sale de rotație poate supraviețui, în principiu, efectului uriaș, dar finit al câmpurilor gravitaționale din centru și să meargă până la Universul oglindă. , evitând moartea sub influența unei curburi infinite. Podul Einstein-Rosen acționează ca un tunel care leagă două regiuni ale spațiu-timpului; aceasta este „gaura de vierme” sau „gaura de vierme”. Astfel, gaura neagră Kerr este o poartă către alt univers.
Acum să ne imaginăm că racheta noastră s-a găsit pe podul Einstein-Rosen. Pe măsură ce se apropie de o gaură neagră care se învârte, vede o stea care se învârte în formă de inel. La început, se pare că o coliziune catastrofală așteaptă o rachetă care coboară spre gaura neagră de la Polul Nord. Dar pe măsură ce se apropie de inel, lumina din universul oglindă ajunge la senzorii noștri. Deoarece toate radiațiile electromagnetice, inclusiv de la radare, orbitează în jurul găurii negre, pe ecranele noastre radar apar semnale care trec în mod repetat în jurul găurii negre. Se creează efectul, amintind de o „cameră a râsului” în oglindă, unde suntem induși în eroare de numeroase reflecții din toate părțile. Lumina sare în multe oglinzi, creând iluzia că camera este plină de replicile noastre.
Deși Einstein credea că găurile negre sunt prea incredibile și nu pot exista în natură, mai târziu, o asemenea ironie a sorții, a arătat că sunt și mai bizare decât și-ar fi putut imagina oricine. Einstein a explicat posibilitatea existenței unor „portale” spațiu-timp în adâncurile găurilor negre. Fizicienii numesc aceste portaluri găuri de vierme pentru că, cum ar fi
ele creează o cale alternativă mai scurtă între două puncte pentru un vierme care pătrunde în pământ. Aceste portaluri sunt uneori numite și portaluri sau „porți” către alte dimensiuni. Oricum le-ați numi, ele pot deveni într-o zi un mijloc de călătorie între dimensiuni diferite, dar acesta este un caz extrem.
Primul care a popularizat ideea de portaluri a fost Charles Dodgson, care a scris sub pseudonimul Lewis Carroll. În Alice Through the Looking Glass, el și-a imaginat un portal sub forma unei oglinzi care face legătura între suburbiile Oxford și Țara Minunilor. Din moment ce Dodgson era matematician și preda la Oxford, era conștient de aceste spații multiconectate. Prin definiție, un spațiu multiconectat este de așa natură încât lasoul din el nu poate fi contractat la dimensiunea unui punct.
De obicei, orice buclă poate fi trasă cu ușurință la un punct. Dar dacă luăm în considerare, de exemplu, o gogoașă în jurul căreia se înfășoară un laso, vom vedea că lasoul va strânge această gogoașă. Când începem să strângem încet bucla, vom vedea că nu poate fi strânsă
dimensiunile punctelor; în cel mai bun caz, poate fi tras în jos până la circumferința gogoșii comprimate, adică până la circumferința „găurii”.
Matematicienii s-au bucurat de faptul că au reușit să descopere
trăiește un obiect care a fost complet inutil în descrierea spațiului. Dar în 1935, Einstein și elevul său Nathan Rosen
a introdus teoria portalurilor în lumea fizică. Au incercat
urma să folosească soluția la problema găurii negre ca model pentru particulele elementare. Lui Einstein însuși nu i-a plăcut niciodată teoria lui Newton conform căreia gravitația unei particule tinde spre infinit pe măsură ce se apropie de ea. Einstein credea că această singularitate ar trebui eradicată pentru că nu are sens. Einstein și Rosen au avut ideea ingenioasă de a reprezenta un electron (de obicei considerat ca un punct minuscul fără structură) ca o gaură neagră. Astfel, relativitatea generală ar putea fi folosită pentru a explica misterele lumii cuantice în teoria câmpului unificat. Au început cu o soluție pentru o gaură neagră standard, care seamănă cu o vază mare, cu gât lung. Apoi au tăiat „gâtul” și l-au conectat la o altă soluție particulară la ecuațiile pentru o gaură neagră, adică o vază care a fost întoarsă cu susul în jos. Potrivit lui Einstein, această configurație bizară, dar echilibrată, ar fi liberă de singularitatea de la originea găurii negre.
și ar putea acționa ca un electron. Din păcate, ideea lui Einstein de a reprezenta electronul este
gaura neagră a eșuat. Dar astăzi cosmologii sugerează că podul Einstein-Rosen poate servi drept „poartă” între cele două universuri. Ne putem mișca liber în jurul Universului până când cădem accidental într-o gaură neagră, unde ne aflăm imediat
va împinge prin portal și vom apărea pe cealaltă parte (trecând prin gaura „albă”).
Pentru Einstein, orice soluție a ecuațiilor sale, dacă începe
dintr-un punct de referință fizic probabil, trebuia să se coreleze cu un obiect fizic probabil. Dar nu era îngrijorat de cine va cădea într-o gaură neagră și va ajunge într-un univers paralel. Forțele mareelor ar crește infinit în centru, iar câmpul gravitațional ar smulge imediat atomii oricărui obiect care a avut ghinionul de a cădea într-o gaură neagră. (Podul Einstein-Rosen se deschide într-o fracțiune de secundă, dar se închide atât de repede încât niciun obiect nu poate
trece-l cu o asemenea viteză pentru a ajunge pe cealaltă parte.) Potrivit lui Einstein, deși existența unor portaluri este posibilă, o ființă vie nu poate trece niciodată prin niciunul dintre ele și nu poate vorbi despre experiențele sale în timpul acestei călătorii.
Podul Einstein-Rosen. În centrul găurii negre există un „gât” care se conectează cu spațiul-timp al altui univers sau alt punct din universul nostru. În timp ce călătoria printr-o gaură neagră staționară ar fi fatală, găurile negre care se rotesc au o singularitate inelară care ar permite trecerea prin inel și prin podul Einstein-Rosen, deși aceasta este încă în stadiu de speculație.
Definiția 1
Podul Einstein-Rosen este una dintre modificările soluției în vid ale ecuațiilor Einstein ale relativității generale.
În 1935 A. Einstein și N. Rosen au publicat articolul „Probleme de particule în teoria generală a relativității”. În acest articol, oamenii de știință au încercat să prezinte model matematic particule ca o punte. Esența ipotezei propuse a fost că particula a fost prezentată sub forma unei „găuri”, și nu, cunoscut nouă, un punct.
În modelul propus de Einstein și Rosen, oamenii de știință au încercat să:
- să ofere o viziune fundamental nouă asupra naturii particulelor elementare care alcătuiesc materia;
- este frumos din punct de vedere al matematicii să combinați teoriile gravitației și ale electromagnetismului (soluția propusă este potrivită pentru ecuațiile relativității generale (ecuațiile gravitaționale) și pentru ecuațiile lui Maxwell (ecuațiile electromagnetice));
Esența geometrică a podului Einstein-Rosen este că există un tub scurt - un jumper care conectează două „frunze” spațiale paralele.
Soluție Schwarzschild modificată
Când luăm în considerare soluția Schwarzschild în afara orizontului (pentru $ \ rho2M $), se poate înlocui o coordonată „radială” ($ \ rho $) cu alta - $ u (\ rho) $. În acest caz, ecuația constrângerii va fi scrisă sub forma:
$ \ frac (1) (2) u ^ 2 = \ rho-2M> 0 (1). $
Transformarea coordonatei radiale se face astfel încât pe măsură ce $ \ rho $ crește de la $ 2M $ la infinit, coordonata $ u $ fie să crească de la zero la infinit, fie să scadă de la 0 la minus infinit.
În acest caz, metrica în coordonate noi ia forma:
$ ds ^ 2 = \ frac (u ^ 2) (u ^ 2 + 4M) dt ^ 2- (u ^ 2 + 4M) du ^ 2- \ frac (1) (4) (u ^ 2 + 4M) ^ 2 (d \ theta ^ 2 + sin ^ 2 \ theta d \ phi ^ 2) (2). $
Deoarece metrica (2) a fost obținută prin transformarea coordonatelor din soluția Schwarzschild, va satisface și ecuațiile relativității generale, cel puțin pentru $ u $> $ 0 $ și $ u $
Metrica (1) este definită pe toată axa reală.
Două opțiuni pentru rezolvarea ecuației Schwarzschild pentru $ u $> $ 0 $ și $ u $
Metricile constituente (2) sunt funcții netede, prin urmare, ecuațiile Einstein sunt satisfăcute pentru toți $ u $.
Pentru $ u = 0 $, metrica (2) este degenerată; prin urmare, ecuațiile Einstein vor trebui redefinite.
Metrica Einstein - Rosen este invariantă sub transformările $ u \ la -u $.
Autorii metricii (2), Einstein și Rosen credeau că interpretarea fizică a metricii (2) este o particulă punctuală de masă $ M $, care se află în repaus în centrul sistemului de coordonate sferice $ u = 0 $ , în timp ce spațiu-timp din jurul acestei particule este descris de două foi $ u $ $ 0 $ cu metrica (2). Trebuie avut în vedere faptul că aceste foi descriu un Univers.
Interpretarea modernă a semnificației fizice a podului Einstein-Rosen
Luați în considerare mișcarea particulelor de test în planul ecuatorial ($ \ theta = \ frac (1) (2) \ pi $) a hipersuprafeței $ u = 0 $. Particulele noastre se mișcă în spațiu cu trei dimensiuni cu metrica:
$ ds ^ 2 = (1- \ frac (2M) (\ rho)) dt ^ 2- \ frac (d \ rho ^ 2) (1- \ frac (2M) (\ rho)) - \ rho ^ 2d \ phi ^ 2 (3) $
în coordonatele Schwarzschild.
Pentru aceste particule de testare, spațiul este secțiunea $ t = const $. Obținem o varietate bidimensională (suprafață) cu metrica:
$ dl ^ 2 = \ frac (d \ rho ^ 2) (1- \ frac (2M) (\ rho)) + \ rho ^ 2d \ phi ^ 2 (4), $
unde $ \ rho $ și $ \ phi $ sunt coordonatele polare ale planului euclidian.
Pentru a reprezenta suprafața definită de metrica (4), aceasta este înglobată într-un spațiu euclidian cu trei dimensiuni, în care $ \ rho $, $ \ phi $ și $ z $ sunt coordonate cilindrice. Dacă mișcarea de rotație este specificată utilizând funcția $ z (\ rho) $, atunci metrica indusă pe suprafața încorporată are forma:
$ dl ^ 2 = (1 + (\ frac (dz) (d \ rho)) ^ 2) d \ rho ^ 2 + \ rho ^ 2d \ phi ^ 2 (5). $
Pentru a implementa coincidența metricilor (5) și (4), este necesar ca egalitatea să fie valabilă:
$ (\ frac (dz) (d \ rho)) ^ 2 = \ frac (1) (\ frac (\ rho) (2M) -1) (6). $
Ecuația (6) poate fi valabilă numai pentru soluția Schwarzschild externă ($ \ rho $> $ 2M $). Soluția generală poate fi scrisă astfel:
$ z = \ int (\ frac (d \ rho) (\ sqrt (\ frac (\ rho) (2M) -1)))) = 4M \ sqrt (\ frac (\ rho) (2M) -1) + const (7) $.
Constanta de integrare poate fi echivalată cu zero, deoarece este responsabilă pentru deplasarea coordonatei $ z $.
Vedem că o suprafață cu metrica (4) poate fi reprezentată în spațiul euclidian tridimensional dat de ecuația:
$ \ frac (\ rho) (2M) = 1 + (\ frac (z) (4M)) ^ 2 (8). $
Ecuația (8) ne spune că avem un paraboloid de revoluție (paraboloidul lui Flamm).
În această imbricare, partea de sus ($ z $> $ 0 $) și cea de jos ($ z $
Aceste secțiuni sunt cusute lin de-a lungul gâtului $ z = 0 $. Gâtul corespunde orizontului $ \ rho_s = 2M $.
Paraboloidul Flamm este izometric la nivel global la secțiuni transversale de-a lungul ecuatorului podului Einstein-Rosen.
Când se folosesc coordonatele $ u $ și $ \ phi $, înglobările vor fi date de ecuațiile:
$ z ^ 2 = 4Mu ^ 2 $ sau $ z = \ pm \ sqrt (4M) u (9). $
Ecuațiile (9) înseamnă că paraboloidul devine o pereche de conuri, iar gâtul podului este tras într-un punct.
Interpretarea fizică a podului Einstein-Rosen, construcțiile efectuate mai sus, fac următoarele:
- Se obțin două Universuri, corespunzătoare $ z $> $ 0 $ și $ z $
- Ambele Universuri sunt asimptotic plate dacă distanțele sunt mari ($ \ rho \ la \ infty $).
- În „centru” Universurile au o lipire ($ \ rho = 2M $ $ u = 0 $).
Structura descrisă mai sus se numește gaură de vierme, deoarece prin ea există o oportunitate ipotetică de a intra într-un alt Univers. Rețineți că podul Einstein-Rosen este o gaură de vierme de netrecut.
În prezent, se crede că existența găurilor de vierme nu a fost dovedită, deoarece acestea nu au fost găsite.
O serie de oameni de știință notează că căutarea „găurilor de vierme” este una dintre cele mai interesante probleme din astronomie.
Se presupune că găurile de vierme pot fi localizate în centrele galaxiilor.