Tunele czasoprzestrzenne

Czarne dziury powstają w skutek zapadającej się materii pod wpływem swojego ciężaru do punktowej osobliwości. Ich występowanie we wszechświecie zauważalne jest poprzez wpływ jaki wywierają na otaczające je obiekty w kosmosie. Takie obserwacje pozwalają na potwierdzenie ich istnienia i poprawności matematycznych modeli je opisujących. Inaczej jest jednak w przypadku tuneli czasoprzestrzennych – ich nikt jeszcze nie zaobserwował. Póki co, wszelkie próby ich opisu są jedynie hipotezami, ale kto wie, która z nich okaże się być prawdziwa… Brak obserwacji astronomicznych potwierdzających istnienie tuneli czasoprzestrzennych nie tylko nie powstrzymuje artystów sci-fi od analizowania i szukania zastosowań takim zjawiskom, ale również naukowców teoretyków, którzy wytrwale ulepszają swoje teorie. O jednej z nich, czyli „białym dziurom” poświęcony jest osobny post, do którego przeczytania gorąco zachęcam. Teraz jednak chciałabym się bardziej skupić na koncepcji naukowej wykorzystanej w filmie „Interstellar”.

„Interstellar” to znany wśród miłośników astronomii film wyróżniający się bardzo dużą zgodnością przedstawianych w nim zjawisk z naukowymi teoriami. Mimo iż, sam film po obejrzeniu nie zapadł mi w pamięć, to książka K.Thorne’a (fizyka i noblisty, odpowiedzialnego za naukowe zaplecze filmu) „Interstellar i nauka" opisująca zagadnienia naukowe leżące u podstaw filmu, okazała się być wyśmienita. W głównej mierze skupia się na opisie czarnych dziur i hipotetycznych tuneli czasoprzestrzennych. Na podstawie zawartych w niej informacji przybliżę koncepcję dotyczącą możliwości występowania tuneli czasoprzestrzennych w przyrodzie do jakich K.Thorne  doszedł podczas współtworzenia filmu.

Dlaczego wormhole?

John Wheeler był znakomitym fizykiem zafascynowanym odkrywaniem prawdy kryjącej się za wszelakimi anomaliami kosmicznymi. Wśród jego bogatego dorobku naukowego znajdują się również wymyślone przez niego nazwy określające różne zjawiska, w tym, popularna dziś nazwa „wormhole”. Polskie tłumaczenie nie oddaje jednak w pełni gry słownej tego wyrażenia– odnosi się bowiem do wydrążonego tunelu np. w jabłku przez robaczka. Dlaczego? Koncepcja jest następująca…

Jako ludzkość postrzegamy wszechświat w trzech wymiarach przestrzennych (góra-dół, prawo-lewo, przód-tył) i jednym czasowym, co daje łącznie cztery wymiary. Wyobraźmy sobie, że w rzeczywistości wszechświat zanurzony jest w przestrzeni o jeden wymiar większej. Ciężko jest jednak zwizualizować jak by wyglądał świat oczami istoty pięciowymiarowej. Z tego powodu z pomocą przychodzi nam analogia z jabłkiem. Załóżmy, że naszym wszechświatem jest dwuwymiarowa powierzchnia jabłka, którą możemy zwiedzać i badać. Przechadzając się po niej w pewnym momencie natkniemy się na dziwny otwór. Okazuje się, że daje on nam możliwość szybszego przejścia z jednego krańca jabłka na drugi (droga nr.2) niż przejście bezpośrednio po powierzchni owocu (droga nr. 1). Widać zatem, że trzywymiarowy tunel czasoprzestrzenny połączony jest z powierzchnią dwoma dwuwymiarowymi otworami. To właśnie ten tunel określany jest mianem wormhole.

Jak znaleźć i skorzystać z tuneli czasoprzestrzennych.

L.Flamm jako jeden z pierwszych naukowców doszedł do takiego rozwiązania równań Einsteina, które opisują interesującą nas anomalię. Odkryty przez niego tunel jest idealnie sferyczny i nie zawiera oddziałującej grawitacyjnie materii. W późniejszych latach do tego samego rozwiązania doszli Einstein i Rosen. Z tego powodu, ten rodzaj tunelu przyjęło się określać mianem „mostu Einsteina-Rosena”. Nie zagłębiając się w szczegóły model takiego tunelu przypomina wspominane wcześniej jabłko. Z punktu A do punktu B można się bowiem dostać na dwa sposoby – albo drogą po naszym wszechświecie, albo drogą „na skróty” po ścianie tunelu czasoprzestrzennego. Dalsze badanie właściwości tunelu wykazały, że nie jest to obiekt statyczny – J.Wheeler wykazał, że taki tunel ma swój początek oraz koniec istnienia. Proces powstania a następnie rozerwania tunelu czasoprzestrzennego zilustrowany jest na poniższym rysunku. Niestety, poszczególne fazy następują po sobie tak szybko, że nawet światło nie zdołałoby przedostać się z jednego krańca wszechświata na drugi. Oznacza to, że każdy śmiałek, który „wskoczyłby” do tunelu zostałby rozerwany. Taki koniec nie jest jednak satysfakcjonujący. Czego zatem brakuje do stabilizacji tunelu?

T.Thorne w swoich rozważaniach opisanych w książce doszedł do wniosku, że aby ustabilizować most Einsteina-Rosena musi być on opleciony materiałem o ujemnej materii, czyli egzotyczną materią. Mimo iż, jej nazwa by na to nie wskazywała, taka materia może istnieć (potwierdza to efekt Casimira), a z pomocą przychodzą prawa rządzące mechaniką kwantową. Z pozoru mamy wszystkie potrzebne elementy układanki – model tunelu, wywodzący się z równań Einsteina i materię, która pozwoli go ustabilizować by stał się „przejezdny”. Nawet odsuwając na bok techniczne aspekty obłożenia tunelu egzoteryczną materią pozostaje pytanie czy tunel może jej zawierać wystarczająco dużo by pozostał otwarty.  Mimo braku udowodnionej odpowiedzi, takie zjawisko wydaje się być w przyrodzie niemożliwe.

By nie pozostawiać niesmaku „porażki”, nadzieją na naturalne występowanie w przyrodzie tuneli czasoprzestrzennych może się okazać „piana kwantowa”. Jest to hipotetyczna sieć tuneli rządzona prawami kwantowej grawitacji. Mimo swoich niewielkich rozmiarów, równych długości Plancka, możliwe, że można by w jakiś sposób rozszerzyć ją do większych rozmiarów. Natomiast sposobem na sztuczne wytworzenie tunelu czasoprzestrzennego byłoby „wygięcie” naszej czasoprzestrzenni (tak jak robią to masywne obiekty), następnie zawinięcie jej i połączenie z „dnem” wypustki. Można przeprowadzić prostą wizualizacje przy użyciu kartki papieru i ołówka – zgiąć kartkę papieru w pół, a następnie przebić ją na wylot ołówkiem. Na kartce pojawią się dwa otwory, z naszego wszechświata widziane jako wlot i wylot z tunelu, połączone ołówkiem, czyli tunelem czasoprzestrzennym.  Mimo prostoty takiej koncepcji nie jest ona możliwa przez nas do wykonania.

Ostatecznie, tunel czasoprzestrzenny w filmie „Interstellar” okazał się być tworem jakiejś obcej, zaawansowanej cywilizacji – nie wiadomo dlaczego i jak ale jest i działa 😉.