Přežili by astronauti mezihvězdnou cestu červí dírou?

V kosmické opeře Interstellar našli astronauti, kteří usilují o záchranu lidstva, záchranné lano: červí díra, která se záhadně objevila vedle Saturn. Tunel v časoprostoru vede k vzdálené galaxii a šanci najít obyvatelné planety, které lidé mohou kolonizovat. Červí díra filmu je založena na skutečné fyzice od důstojníka CalTecha, profesora Kip Thorne, průkopníka astrofyziky, který také pomohl Carlovi Saganovi navrhnout svou červí díru pro román Contact . Vizualizace jsou ohromující a jsou vítány jako jedna z nejpřesnějších simulací červí díry a černých děr ve filmu. Existuje však jeden aspekt vrhnutí se do mezihvězdného vyjádření, které se film nezabývá: Jak přežijete výlet?

Související obsah

• Stephen Hawking si myslí, že můžeme vyřešit hlavní tajemství černé díry s vlasy
• Fyzici postavili červí díru pro magnety
• Proč „Interstellar“ patří do Pantheonu nejlepších „realistických“ sci-fi filmů
• Nejbližší věc v reálném životě k Mystově červí díře

Přestože tomu tak neřekli, původní červí díra byla duchovní dítět Albert Einstein a jeho asistent Nathan Rosen. Snažili se vyřešit Einsteinovy ​​rovnice pro obecnou relativitu způsobem, který by nakonec vedl k čistě matematickému modelu celého vesmíru, včetně gravitace a částic, které tvoří hmotu. Jejich pokus zahrnoval popis prostoru jako dvou geometrických listů spojených „mosty“, které vnímáme jako částice.

Další fyzik, Ludwig Flamm, objevil tyto mosty nezávisle v roce 1916 ve svém řešení Einsteinových rovnic. Bohužel pro všechny z nich tato „teorie všeho“ nefungovala, protože teoretické mosty se nakonec nechovaly jako skutečné částice. Ale Einstein a Rosenův dokument z roku 1935 popularizovali koncept tunelu skrze strukturu časoprostoru a přiměli ostatní fyziky vážně uvažovat o důsledcích.

Princetonský fyzik John Wheeler vytvořil termín „červí díra“ v 60. letech, kdy zkoumal modely mostů Einstein-Rosen. Poznamenal, že mosty se podobají otvorům, které červi vrtají přes jablka. Mravenec, který se plazí z jedné strany jablka na druhou, se může buď prohýbat po celé své zakřivené ploše, nebo si udělat zkratku tunelem červa. Nyní si představte, že náš trojrozměrný časoprostor je kůže jablek, která se zakřivuje kolem vyšší dimenze zvané „objem“. Most Einstein-Rosen je tunelem, který umožňuje cestujícím rychle projet mezi dvěma body ve vesmíru. Zní to divně, ale je to legitimní matematické řešení obecné relativity.

Wheeler si uvědomil, že ústa mostů Einstein-Rosen snadno odpovídají popisu toho, co se nazývá Schwarzschildova černá díra, jednoduchá sféra hmoty tak hustá, že ani světlo nemůže uniknout jejímu gravitačnímu tahu. Ah-ha! Astronomové věří, že černé díry existují a vytvářejí se, když se na sebe zhroutí jádra mimořádně hmotných hvězd. Mohly by tedy být černé díry také červí díry, a tedy brány k mezihvězdnému cestování? Matematicky řečeno - možná - ale nikdo nepřežije cestu.

V Schwarzschildově modelu je temným srdcem černé díry singularita, neutrální, nepohyblivá koule s nekonečnou hustotou. Wheeler spočítal, co by se stalo, kdyby se zrodila červí díra, když se hromadně spojí dvě singularity ve vzdálených částech vesmíru, čímž vytvoří tunel mezi Schwarzschildovými černými dírami. Zjistil, že taková červí díra je ze své podstaty nestabilní: tunel se tvoří, ale pak se smrští a štípne, takže vás ještě jednou nechá jen se dvěma zvláštnostmi. Tento proces růstu a kontrakce se děje tak rychle, že ani světlo ho nepronikne tunelem a astronaut, který se snaží projít, by narazil na jedinečnost. To je náhlá smrt, protože obrovské gravitační síly roztrhaly cestovatele od sebe.

"Cokoli nebo kdokoli, kdo by se pokusil o cestu, bude zničeno při štípnutí!" Thorne píše ve své doprovodné knize k filmu Věda mezihvězd .

Věda mezihvězdné

Amazon.com: Science of Interstellar (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Knihy

Existuje alternativa: rotující Kerrova černá díra, což je další možnost obecně relativity. Výjimečnost uvnitř Kerrové černé díry je prsten, na rozdíl od koule, a některé modely naznačují, že člověk by mohl přežít výlet, pokud úhledně projdou středem tohoto prstenu jako basketbal přes obruč. Thorne však má proti této představě řadu námitek. V článku z roku 1987 o cestování červí dírou poznamenává, že hrdlo červí díry Kerr obsahuje oblast zvanou Cauchyův horizont, který je velmi nestabilní. Matematika říká, že jakmile se cokoli, dokonce i světlo, snaží překonat tento horizont, tunel se zhroutí. I když by červí díra mohla být nějak stabilizována, kvantová teorie nám říká, že vnitřek by měl být zaplaven vysokoenergetickými částicemi. Vkročte do červí díry Kerra a budete smaženi v ostrém stavu.

Trik je v tom, že fyzika se ještě musí oženit s klasickými pravidly gravitace s kvantovým světem, nepolapitelným kouskem matematiky, který se mnozí vědci snaží vymknout. Juan Maldacena v Princetonu a Leonard Susskind ve Stanfordu navrhli, aby červí díry byly jako fyzické projevy zapletení, když jsou kvantové objekty spojeny bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe.

Einstein skvěle popsal zapletení jako „strašidelné jednání na dálku“ a odporoval myšlence. Spousta experimentů nám však říká, že zapletení je skutečné - již se komerčně používá k ochraně online komunikace, jako jsou bankovní transakce. Podle Maldaceny a Susskinda velké množství zapletení mění geometrii časoprostoru a může vést ke vzniku červí díry ve formě zapletených černých děr. Jejich verze však není mezihvězdnou bránou.

„Jsou to červí díry, které vám nedovolují cestovat rychleji než světlo, “ říká Maldacena. "Mohou vám však umožnit setkat se s někým uvnitř, s malou námitkou, že oba zemřou při gravitační singularitě."

Dobře, takže černé díry jsou problémem. Co tedy může být červí díra? Avi Loeb z Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku tvrdí, že naše možnosti jsou široce otevřené: „Protože zatím nemáme teorii, která spolehlivě sjednocuje obecnou relativitu s kvantovou mechanikou, nevíme o celé zoo možných struktur časoprostoru, které by se mohly přizpůsobit červí díry. “

Stále existuje závěs. Thorne ve své práci z roku 1987 zjistil, že jakýkoli druh červí díry, která je v souladu s obecnou relativitou, se zhroutí, pokud nebude otevřen tím, co nazývá „exotickou hmotou“ negativní energií. Tvrdí, že máme důkazy exotické hmoty díky experimentům, které ukazují, jak kvantové fluktuace ve vakuu vytvářejí podtlak mezi dvěma zrcadly umístěnými velmi blízko u sebe. A Loeb si myslí, že naše pozorování temné energie jsou další náznaky, že může existovat exotická hmota.

"Pozorujeme, že v nedávné vesmírné historii od nás galaxie utíkaly rychlostí, která se postupem času zvyšuje, jako by na ně působila odpudivá gravitace, " říká Loeb. "Toto zrychlené rozšíření vesmíru lze vysvětlit, pokud je vesmír naplněn látkou, která má podtlak ... stejně jako materiál potřebný k vytvoření červí díry." Oba fyzikové se nicméně shodují v tom, že byste potřebovali příliš mnoho exotických látek, než aby se červí díra vytvořila přirozeně, a pouze vysoce vyspělá civilizace mohla kdy doufat, že shromáždí dost věcí, aby se červí díra stabilizovala.

Ale jiní fyzici nejsou přesvědčeni. "Myslím, že stabilní, průchozí červí díra by byla velmi matoucí a zdá se být v rozporu s fyzikálními zákony, které známe, " říká Maldacena. Sabine Hossenfelder na Severském institutu pro teoretickou fyziku ve Švédsku je ještě skeptičtější: „Máme naprosto nulovou indikaci, že to existuje. Opravdu se všeobecně věří, že nemůže existovat, protože kdyby se vakuum stalo, bylo by nestabilní.“ I když byla k dispozici exotická hmota, její cestování nemusí být hezké. Přesné účinky by závisely na zakřivení prostoročasu kolem červí díry a hustotě energie uvnitř, říká. "Je to skoro jako u černých děr: příliš mnoho přílivových sil a ty se roztrhají."

Přes jeho vazby na film, Thorne je také pesimistický, že je možná ještě jedna červí díra, mnohem méně přežitelná. „Pokud mohou existovat, velmi pochybuji o tom, že se mohou přirozeně tvořit v astrofyzikálním vesmíru, “ píše v knize. Thorne si však uvědomuje, že Christopher a Jonah Nolan, kteří psali Interstellar, byli tak rádi, že vyprávěli příběh, který je založen na vědě.

"Příběh je nyní v podstatě celý Chris a Jonah, " řekl Thorne Wiredovi v exkluzivním rozhovoru. "Ale duch toho, cíl mít film, ve kterém je věda zakotvena v látce od začátku - a je to velká věda -, byl zachován."