Come stringere la mano a te stesso, che è arrivato dal futuro? Perché un leone può materializzarsi improvvisamente nella tua stanza? Come arrivare in un altro universo, visitare una macchina del tempo e cos'è un "buco bianco"? Sergey Krasnikov, ricercatore senior dello Star Physics Laboratory dell'Osservatorio principale (Pulkovo), ne ha parlato.
Sergey Vladilenovich, cos'è un wormhole?
- Non esiste una definizione molto rigida. Tali definizioni sono necessarie quando si dimostrano alcuni teoremi, ma quasi non ci sono teoremi rigorosi, quindi sono principalmente limitati a concetti figurativi, immagini. Immagina di aver estratto una palla dal nostro spazio tridimensionale in una stanza e di aver tirato fuori esattamente la stessa palla in un'altra stanza e incollato i confini risultanti di questi fori.
Quindi, quando entriamo in una stanza all'interno di questa ex palla, che è diventata un buco, emergeremo in un'altra stanza - da un buco che si è formato al posto di un'altra palla. Se il nostro spazio non fosse tridimensionale, ma bidimensionale, sembrerebbe un foglio di carta a cui è incollata una penna. L'analogo tridimensionale e il suo sviluppo nel tempo è chiamato wormhole.
Come vengono studiati i wormhole?
- Questa è un'attività puramente teorica. Nessuno ha mai visto wormhole e, in generale, non c'è alcuna certezza che esistano. Hanno iniziato a studiare i wormhole, partendo dalla domanda: esistono in natura meccanismi tali da garantirci che tali buchi in natura non possono esistere? Questi meccanismi non sono stati trovati, quindi possiamo presumere che i wormhole siano un fenomeno reale.
È possibile, in linea di principio, vedere un wormhole?
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- Ovviamente. Se in una stanza chiusa improvvisamente strisciate fuori dal nulla una persona, allora osservate un wormhole. I wormhole come oggetto di studio furono inventati e promossi dal fisico teorico americano John Wheeler, che con il loro aiuto ha voluto spiegare, né più né meno, le cariche elettriche. Lasciateci spiegare. Descrivere un campo elettrico libero dal punto di vista della fisica teorica non è un compito molto difficile.
Ma è molto difficile descrivere una carica elettrica dallo stesso punto di vista. Una carica elettrica appare in questo senso come una cosa molto misteriosa: una sostanza, separata dal campo, di origine sconosciuta, e non è chiaro come gestirla nella fisica classica. L'idea di Wheeler era la seguente. Supponiamo di avere un wormhole microscopico, che è crivellato di linee di forza: da un'estremità queste linee entrano in esso e dall'altra escono.
Un osservatore esterno che non sa che queste due estremità sono collegate da linee di forza, un tale oggetto lo percepirà come una semplice sfera nello spazio, esaminerà il campo intorno ad esso e sembrerà il campo di una carica puntiforme. Solo l'osservatore penserà che questa sia una specie di sostanza misteriosa che ha una carica, ecc., E tutto perché non sa che in realtà è un wormhole.
Certo, questa è un'idea molto elegante, e molti hanno provato a svilupparla, ma non hanno fatto molti progressi, perché gli elettroni sono, dopotutto, oggetti quantistici e, naturalmente, nessuno sa come descrivere i wormhole a livello quantistico. Ma se assumiamo che l'ipotesi sia corretta, allora i wormhole sono più di un fenomeno quotidiano, tutto ciò che è associato all'elettricità alla fine sarà legato a loro.
La materia esotica è un concetto classico della fisica che descrive qualsiasi sostanza (solitamente ipotetica) che viola una o più condizioni classiche, o non è costituita da barioni conosciuti. Tali sostanze possono avere qualità come densità di energia negativa o respingere piuttosto che attrarre a causa della gravità. La materia esotica è usata in alcune teorie, come la teoria della struttura dei wormhole. Il rappresentante più famoso della materia esotica è il vuoto nella regione con pressione negativa prodotta dall'effetto Casimir.
Che tipo di wormhole ci sono?
- Dal punto di vista del viaggio teorico, ci sono wormhole percorribili e impraticabili. Quelli invalicabili sono quelli attraverso i quali il passaggio viene distrutto, e questo avviene così rapidamente che nessun oggetto ha semplicemente il tempo di passare da un'estremità all'altra. Naturalmente, il più interessante per lo studio è il secondo tipo di wormhole: passabile. C'è persino una bellissima teoria che dice che quelli che eravamo soliti pensare come buchi neri supermassicci al centro delle galassie sono in realtà le bocche dei wormhole. Questa teoria è quasi sottosviluppata e, naturalmente, non ha ancora trovato alcuna conferma, esiste, piuttosto, come una sorta di idea. La sua essenza è che al di fuori del wormhole vedi solo che al centro della galassia c'è un certo oggetto sfericamente simmetrico, ma non puoi dire cosa sia: un wormhole o un buco nero.perché sei fuori da questo oggetto.
In effetti, possono essere distinti solo da un parametro: la massa. Se la massa risulta essere negativa, è molto probabile che si tratti di un wormhole, ma se la massa è positiva, sono necessarie ulteriori informazioni, perché il buco nero potrebbe rivelarsi un wormhole. La massa negativa in generale è uno dei momenti centrali dell'intera storia del wormhole. Perché per essere percorribile, un wormhole deve essere riempito con quella che viene chiamata una sostanza esotica, una sostanza in cui, almeno in alcuni punti, in alcuni punti, la densità di energia è negativa.
A livello classico, nessuno ha mai visto una tale sostanza, ma sappiamo per certo che può esistere in linea di principio. Sono stati registrati effetti quantistici che portano alla comparsa di una tale sostanza. Questo è un fenomeno abbastanza noto e si chiama effetto Casimir. È stato ufficialmente registrato. Ed è collegato precisamente con l'esistenza della densità di energia negativa, che è molto stimolante.
L'effetto Casimir è un effetto che consiste nell'attrazione reciproca di condurre corpi non caricati sotto l'influenza di fluttuazioni quantistiche nel vuoto. Molto spesso, stiamo parlando di due superfici speculari non caricate parallele situate a distanza ravvicinata, ma l'effetto Casimir esiste anche per geometrie più complesse. La ragione dell'effetto sono le fluttuazioni energetiche del vuoto fisico dovute alla costante creazione e scomparsa di particelle virtuali in esso. L'effetto fu previsto dal fisico olandese Hendrik Casimir nel 1948 e successivamente confermato sperimentalmente.
In generale, nella scienza quantistica, la densità di energia negativa è una cosa abbastanza comune, alla quale, ad esempio, è associata l'evaporazione di Hawking. Se esiste una tale densità, possiamo porci la seguente domanda: quanto è grande la massa del buco nero (il parametro del campo gravitazionale da esso creato)? C'è una soluzione a questo problema che è applicabile ai buchi neri, cioè oggetti con una massa positiva, e c'è una soluzione che è applicabile a una massa negativa.
Se c'è abbastanza materia esotica nel wormhole, la massa di questo oggetto all'esterno sarà negativa. Pertanto, uno dei principali tipi di "osservazione" dei wormhole è il tracciamento di oggetti in relazione ai quali si può presumere che abbiano una massa negativa. E se troviamo un oggetto del genere, allora con un grado di probabilità abbastanza alto possiamo dire che questo è un wormhole.
I wormhole sono anche divisi in intra-world e inter-world. Se distruggiamo il tunnel tra le due bocche del secondo tipo di buchi, saremo in grado di vedere due universi completamente indipendenti. Un simile wormhole è chiamato interworld. Ma se facciamo lo stesso e vediamo che va tutto bene - siamo rimasti nello stesso universo - allora abbiamo un wormhole intra-mondo. Questi due tipi di wormhole hanno molto in comune, ma c'è anche un'importante differenza. Il fatto è che il wormhole intra-mondo, se esiste, tende a trasformarsi in una macchina del tempo. In realtà, è stato sullo sfondo di questa ipotesi che è sorta l'ultima ondata di interesse per i wormhole.
Nel caso di un wormhole intra-mondo, ci sono due modi diversi per guardare un vicino: direttamente attraverso il tunnel o in modo indiretto. Se inizi a muovere una bocca di un wormhole rispetto all'altra, allora, secondo il noto paradosso dei gemelli, la seconda persona, di ritorno dal viaggio, sarà più giovane della restante. D'altra parte, quando guardi attraverso il tunnel, siete entrambi seduti in laboratori che sono immobili, dal vostro punto di vista non succede niente, i vostri orologi sono sincronizzati. In questo modo, hai l'opportunità teorica di immergerti in questo tunnel e uscire in un momento che, dal punto di vista di un osservatore esterno, precede il momento in cui ti sei immerso. Il ritardo portato ad un grado appropriato darà luogo alla possibilità di un tale viaggio circolare nello spazio-tempo,quando torni al punto di partenza originale e stringi la mano alla tua precedente incarnazione.
Il paradosso dei gemelli è un esperimento mentale con il quale cercano di "provare" l'incoerenza della teoria della relatività speciale. Secondo SRT, dal punto di vista degli osservatori "stazionari", tutti i processi di oggetti in movimento rallentano. D'altra parte, il principio di relatività dichiara l'uguaglianza dei sistemi di riferimento inerziali. Su questa base si costruisce il ragionamento, che porta a un'apparente contraddizione. Per chiarezza viene considerata la storia di due fratelli gemelli. Uno di loro (il viaggiatore) va su un volo spaziale, e il secondo (resta a casa) rimane sulla Terra. Molto spesso, il "paradosso" è formulato come segue:
Dal punto di vista di un teledipendente, l'orologio di un viaggiatore in movimento ha uno scorrere del tempo lento, quindi al ritorno dovrebbe rimanere indietro rispetto all'orologio di un teledipendente. D'altra parte, la Terra si muoveva rispetto al viaggiatore, quindi l'orologio di casa dovrebbe rimanere indietro. In effetti, i fratelli sono uguali, quindi, al ritorno, i loro orologi dovrebbero mostrare la stessa ora. Tuttavia, secondo l'SRT, l'orologio del viaggiatore sarà in ritardo. Questa violazione dell'apparente simmetria dei fratelli è vista come una contraddizione.
Qual è la differenza fondamentale tra un wormhole e un buco nero?
- Prima di tutto, devo dire che ci sono due tipi di buchi neri: quelli che si sono formati a seguito del collasso delle stelle e quelli che esistevano inizialmente, sono sorti con l'emergere dell'Universo stesso. Questi sono due tipi fondamentalmente diversi di buchi neri. Un tempo esisteva un concetto come "buco bianco", ora è usato raramente. Un buco bianco è lo stesso nero, ma si evolve a ritroso nel tempo. La materia vola in un buco nero, ma da lì non può mai sfuggire. Da un buco bianco, al contrario, la materia vola via, ma non puoi entrarci in nessun modo. In effetti, questa è una cosa molto naturale se ricordiamo che la Teoria della Relatività Generale è simmetrica nel tempo, il che significa che se ci sono buchi neri, devono esistere anche buchi bianchi. La loro totalità è un wormhole.
Cosa si sa della struttura interna dei wormhole?
- Finora, in questo senso, vengono costruiti solo modelli. Da un lato, sappiamo che l'aspetto di questa materia esotica potrebbe essere stato scoperto anche sperimentalmente, e ancora ci sono molte domande. L'unico modello di wormhole a me noto che è più o meno coerente con la realtà è il modello di un wormhole in fase di evaporazione (dall'inizio dell'universo). A causa di questa evaporazione, un tale foro rimane percorribile per molto tempo.
A cosa stai lavorando esattamente?
- Sono impegnato in un'attività puramente teorica, quella che generalmente si può chiamare la struttura causale dello spazio-tempo è la classica Teoria della Relatività, a volte semiclassica (come sai, il quanto non esiste ancora).
Nella teoria classica non relativistica, si possono trovare prove sufficientemente convincenti che il viaggio nel tempo non può esistere, ma nella relatività generale non esiste tale evidenza. E Einstein, quando stava solo sviluppando la sua teoria, ne era consapevole. Si chiese se ci fosse un modo per escludere questa possibilità. Quindi non ha affrontato questo compito, come ha detto in seguito. Sebbene Einstein abbia creato un linguaggio per studiare questo problema, il compito è rimasto accademico. L'interesse per esso esplose alla fine degli anni Quaranta, quando Gödel propose un modello cosmologico contenente tali curve chiuse.
Ma poiché Gödel ha sempre offerto qualcosa di esotico, hanno reagito a questo con interesse, ma senza gravi conseguenze scientifiche. E poi, verso la fine del secolo scorso, grazie soprattutto alla fantascienza - ad esempio il film "Contact" con Jodie Foster - è stato ripreso l'interesse per il tema del viaggio nel tempo con l'aiuto dei wormhole. L'autore del romanzo, secondo il quale è stata scritta la sceneggiatura del film, è un famosissimo astronomo, divulgatore della scienza Carl Sagan.
Ha affrontato la questione molto seriamente e ha chiesto al suo amico, anche lui un relativista molto famoso, Kip Thorne, di vedere se tutto ciò che descritto nel film era possibile dal punto di vista della scienza. E ha pubblicato un articolo semi-popolare nella rivista per insegnanti di fisica americani "Wormholes come strumento per lo studio della teoria della relatività generale", dove ha considerato la possibilità di viaggiare nel tempo attraverso wormhole.
E devo dire che allora nella fantascienza l'idea di viaggiare attraverso i buchi neri era popolare. Ma ha capito che un buco nero è un oggetto assolutamente impenetrabile: viaggiare attraverso di loro è impossibile, quindi ha considerato i wormhole come una possibilità di viaggio nel tempo. Anche se questo era già noto, ma per qualche motivo la gente ha preso le sue conclusioni come un'idea completamente nuova e si è affrettata a indagare. Inoltre, l'enfasi era sulla presunzione che una macchina del tempo non potesse esistere, ma abbiamo deciso di scoprire perché. E abbastanza rapidamente divenne chiaro che non c'erano obiezioni evidenti all'esistenza di una macchina del genere. Da allora sono iniziati studi su larga scala e hanno cominciato ad apparire teorie. In generale, da allora ho fatto anche questo.
"Contact" è un film di fantascienza del 1997. Diretto da Robert Zemeckis. Trama principale: Ellie Arroway (Judy Foster) ha dedicato tutta la sua vita alla scienza, partecipa a un progetto per la ricerca dell'intelligenza extraterrestre. Tutti i tentativi di ricerca di segnali extraterrestri sono infruttuosi e il futuro del suo progetto è in gioco. Ellie è alla disperata ricerca di sostegno, ma inaspettatamente riceve aiuto dall'eccentrico miliardario Hadden. Ed ecco il risultato: Ellie riceve il segnale. La decodifica del segnale mostra che contiene una descrizione del dispositivo tecnico. Il suo scopo non è chiaro, ma all'interno è previsto un posto per una persona.
Dopo la creazione e il lancio del dispositivo, Ellie intraprende un viaggio attraverso il sistema dei wormhole e viene trasportata, probabilmente su un pianeta in un altro sistema stellare. Al risveglio lì, in riva al mare, incontra un rappresentante di un'altra civiltà, che ha scelto l'immagine del suo defunto padre. Guardandosi intorno, l'eroina si rende conto che quest'area è stata ricreata da una mente aliena nella sua mente nell'immagine di un disegno che ha disegnato durante l'infanzia. L'alieno le dice che il dispositivo consente di organizzare un sistema di vie di comunicazione interstellari, e la Terra d'ora in poi diventa un membro della comunità delle civiltà dell'Universo.
Ellie torna sulla Terra. Dal punto di vista degli osservatori esterni, dopo il lancio dell'installazione, non le è successo niente e il suo corpo non ha lasciato il nostro pianeta. Ellie si trova in una situazione paradossale. In quanto scienziata, dal punto di vista di una scienza rigorosa, non può in alcun modo confermare le sue parole. Viene svelata anche un'altra circostanza: la videocamera attaccata ad Ellie durante il viaggio non ha registrato nulla, ma la durata della registrazione in bianco non è stata di pochi secondi, ma di 18 ore …
È possibile "creare" un wormhole?
- Proprio su questo c'è un risultato scientifico rigoroso. Ciò è dovuto al fatto che non ci sono risultati esatti sullo studio dei wormhole. C'è un teorema dimostrato molto tempo fa e dice quanto segue. Esiste l'iperbolicità globale. In questo caso, non importa affatto cosa significhi, ma il punto è che mentre e poiché lo spazio è globalmente iperbolico, è impossibile creare un wormhole: può esistere in natura, ma non funzionerà per crearlo da soli.
Se riesci a rompere l'iperbolicità globale, forse puoi creare un wormhole. Ma il fatto è che questa violazione di per sé è una cosa così esotica, così poco studiata e poco compresa che l'effetto collaterale della nascita di un wormhole è già una cosa relativamente minore rispetto al fatto stesso che sei riuscito a violare l'iperbolicità globale.
Qui si sta verificando una cosa molto famosa, chiamata "principio della rigida censura cosmica", che dice che lo spazio è sempre globalmente iperbolico. Ma questo, in linea di principio, non è altro che un desiderio. Non ci sono prove della correttezza di questo principio, c'è solo una certa fiducia interiore insita in molte persone che lo spazio-tempo dovrebbe essere globalmente iperbolico. Se è così, è impossibile creare un wormhole: devi cercarne uno esistente. Nel frattempo, gravi dubbi sulla fedeltà del principio della censura cosmica sono stati espressi dallo stesso autore - Roger Penrose, ma questa è un'altra storia.
Cioè, creare un wormhole richiede dei seri costi energetici?
- È molto difficile dire qualcosa qui. Il problema è che quando la tua iperbolicità globale viene violata, allo stesso tempo viene violata la prevedibilità - questa è praticamente la stessa cosa. Puoi in qualche modo cambiare geometricamente lo spazio intorno a te, ad esempio, prendere una borsa e metterla in un altro posto. Ma ci sono dei limiti entro i quali puoi farlo, in particolare il limite imposto dalla prevedibilità. Ad esempio, a volte puoi dire cosa succederà in 2 secondi, a volte no. Il limite di ciò che puoi o non puoi prevedere sta precisamente nell'iperbolicità globale. Se il tuo spazio-tempo è globalmente iperbolico, puoi prevederne l'evoluzione.
Se assumiamo che a un certo punto viola l'iperbolicità globale, tutto diventa pessimo con la prevedibilità. Pertanto, sorge una cosa sorprendente, ad esempio, tale che proprio qui e ora può materializzarsi un wormhole attraverso il quale salterà fuori un leone. Sarà un fenomeno esotico, ma non violerà nessuna legge della fisica. D'altra parte, puoi spendere molti sforzi, denaro e risorse per facilitare in qualche modo questo processo. Ma il risultato sarà sempre lo stesso: in entrambi i casi, non sai se apparirà o meno un wormhole. Nella fisica classica, non possiamo farci niente - se vuole, lo farà, non lo vuole, non si presenterà - la scienza quantistica non ci dà alcun indizio in questa materia.
Il principio della "censura cosmica" è stato formulato nel 1969 da Roger Penrose nella seguente forma figurativa: "La natura detesta una nuda singolarità". Dice che le singolarità dello spaziotempo compaiono in luoghi che, come le regioni interne dei buchi neri, sono nascosti agli osservatori. Questo principio non è stato ancora dimostrato, e ci sono ragioni per dubitare della sua assoluta correttezza (ad esempio, il collasso di una nuvola di polvere con un grande momento angolare porta ad una "singolarità nuda", ma non è noto se questa soluzione delle equazioni di Einstein sia stabile rispetto a piccole perturbazioni dei dati iniziali).
La formulazione di Penrose (una forte forma di censura cosmica) suggerisce che lo spaziotempo nel suo insieme è globalmente iperbolico.
Successivamente Stephen Hawking ha proposto una diversa formulazione (una forma debole di censura cosmica), dove si assume solo l'iperbolicità globale della componente "futura" dello spazio-tempo.
Olga Fadeeva
