Empieza en la ciencia. Agujeros de gusano: qué es: un mito, una puerta a otros mundos o una abstracción matemática

en ciencia ficcion agujeros de gusano, o agujeros de gusano , es un método que se utiliza a menudo para viajar distancias muy largas en el espacio. ¿Pueden realmente existir estos puentes mágicos?

A pesar de todo mi entusiasmo por el futuro de la humanidad en el espacio, hay un problema obvio. Somos sacos de carne blanda hechos en su mayor parte de agua, y esos otros están tan lejos de nosotros. Incluso con las tecnologías de vuelo espacial más optimistas, podemos imaginar que nunca alcanzaremos otra estrella en un tiempo igual a la duración de una vida humana.

La realidad nos dice que incluso las estrellas más cercanas a nosotros están incomprensiblemente lejos, y se necesitará una gran cantidad de energía o tiempo para realizar este viaje. La realidad nos dice lo que necesitamos astronave, que de alguna manera puede volar durante cientos o miles de años, mientras los astronautas nacen en él, generación tras generación, viven sus vidas y mueren mientras vuelan a otra estrella.

La ciencia ficción, por otro lado, nos lleva a métodos para construir motores avanzados. Active el motor warp y observe cómo pasan las estrellas, haciendo que el viaje a Alpha Centauri sea tan rápido y agradable como navegar en un barco en algún lugar del mar.

Fotograma de la película "Interestelar".

¿Y sabes qué es aún más fácil? agujero de gusano; un túnel mágico que conecta dos puntos del espacio y el tiempo entre sí. Simplemente establezca un destino, espere a que el Stargate se estabilice y simplemente vuele... vuele la mitad de la galaxia hasta su destino.

¡Sí, es realmente genial! Alguien debería haber inventado estos agujeros de gusano, marcando el comienzo de un nuevo y audaz futuro de viajes intergalácticos. ¿Qué son los agujeros de gusano y cuándo puedo usarlos? Usted pregunta...

Un agujero de gusano, también conocido como puente de Einstein-Rosen, es un método teórico para plegar el espacio y el tiempo para que pueda conectar dos puntos en el espacio. Entonces podrías moverte instantáneamente de un lugar a otro.

Usaremos la demostración clásica de , en la que dibuja una línea entre dos puntos en una hoja de papel, luego dobla el papel e inserta un lápiz en esos dos puntos para cortar el camino. Esto funciona muy bien en papel, pero ¿es física real?

Albert Einstein fotografiado en 1953. Fotógrafo: Ruth Orkin.

Como nos enseñó Einstein, la gravedad no es una fuerza que atrae materia como el magnetismo, en realidad es una curvatura del espacio-tiempo. La luna cree que solo sigue una línea recta a través del espacio, pero en realidad sigue un camino curvo creado por la gravedad de la Tierra.

Y así, según los físicos Einstein y Nathan Rosen, podrías girar una bola de espacio-tiempo tan apretada que dos puntos estarían en la misma ubicación física. Si pudieras mantener estable el agujero de gusano, podrías separar con seguridad estas dos regiones del espacio-tiempo para que aún estén en el mismo lugar, pero separadas por la distancia que desees.

Bajamos por el pozo de gravedad a un lado del agujero de gusano y luego aparecemos a la velocidad del rayo en otro lugar a una distancia de millones y miles de millones de años luz. Si bien la creación de agujeros de gusano es teóricamente posible, son prácticamente imposibles por lo que entendemos actualmente.

El primer gran problema es que los agujeros de gusano son infranqueables, según la Teoría General de la Relatividad. Así que tenlo en cuenta, la física que predice estas cosas prohíbe su uso como método de transporte. Lo cual es un golpe bastante serio para ellos.

Ilustración artística de una nave espacial moviéndose a través de un agujero de gusano hacia una galaxia distante. Crédito: NASA.

En segundo lugar, incluso si se pudiera crear un agujero de gusano, lo más probable es que sea inestable y se apague instantáneamente después de la creación. Si tratas de llegar a un extremo, es posible que te caigas por el .

En tercer lugar, si son transitables y pueden mantenerse estables, tan pronto como cualquier materia intente pasar a través de ellos, incluso fotones de luz, destruiría el agujero de gusano.

Hay un rayo de esperanza, ya que los físicos aún no han descubierto cómo combinar las teorías de la gravedad y la mecánica cuántica. Esto significa que el universo mismo puede saber algo sobre los agujeros de gusano que aún no entendemos. Es posible que se hayan creado naturalmente como parte de cuando el espacio-tiempo de todo el universo se convirtió en una singularidad.

Los astrónomos han propuesto buscar agujeros de gusano en el espacio observando cómo su gravedad distorsiona la luz de las estrellas detrás de ellos. Ninguno ha aparecido todavía. Una posibilidad es que los agujeros de gusano parezcan naturales, como las partículas virtuales que sabemos que existen. Sólo que serían incomprensiblemente pequeños, de la escala de Planck. Necesitarás una nave espacial más pequeña.

Una de las implicaciones más interesantes de los agujeros de gusano es que también podrían permitirte viajar en el tiempo. Así es como funciona. Primero, crea un agujero de gusano en el laboratorio. Luego tome un extremo, coloque una nave espacial en él y vuele a una fracción significativa de la velocidad de la luz, para que el efecto de dilatación del tiempo tenga efecto.

Para las personas en una nave espacial, solo tomará unos pocos años, mientras que cientos o incluso miles de generaciones de personas cambiarán en la Tierra. Suponiendo que pudieras mantener el agujero de gusano estable, abierto y transitable, viajar a través de él sería muy interesante.

Si fueras en una dirección, no solo recorrerías la distancia entre los agujeros de gusano, sino que también avanzarías en el tiempo, y en el camino de regreso: atrás en el tiempo.

Algunos físicos, como Leonard Susskind, creen que esto no funcionará porque violaría dos principios fundamentales de la física: la ley de conservación de la energía y el principio de incertidumbre de energía-tiempo de Heisenberg.

Desafortunadamente, parece que los agujeros de gusano tendrán que permanecer en el ámbito de la ciencia ficción en el futuro previsible, tal vez para siempre. Incluso si fuera posible crear un agujero de gusano, necesitaría mantenerlo estable, abierto y luego descubrir cómo permitir que la materia pase sin colapsar. Aún así, si pudieras resolverlo, harías que los viajes espaciales fueran muy convenientes.

El título del artículo que leíste. "¿Qué son los agujeros de gusano, o wormholes?".

- Sergey Vladilenovich, ¿qué es un agujero de gusano?

No hay una definición estricta. Tales definiciones son necesarias cuando se prueban algunos teoremas, y casi no hay teoremas estrictos, por lo tanto, se limitan principalmente a conceptos figurativos, imágenes. Imagine que sacamos una pelota de nuestro espacio tridimensional en una habitación y sacamos exactamente la misma pelota en otra habitación, y pegamos los límites resultantes de estos agujeros. Así, cuando en una habitación entramos en esta antigua bola que se ha convertido en un agujero, salimos a otra habitación, de un agujero que se formó en el lugar de otra bola. Si nuestro espacio no fuera tridimensional, sino bidimensional, se vería como una hoja de papel con un bolígrafo pegado. Un análogo tridimensional y su desarrollo en el tiempo se llama agujero de gusano.

¿Cómo se estudian generalmente los agujeros de gusano?

Esta es una actividad puramente teórica. Nadie ha visto nunca agujeros de gusano y, en general, aún no hay certeza de que existan. Los agujeros de gusano comenzaron a estudiarse a partir de la pregunta: ¿existen mecanismos en la naturaleza que nos garanticen que tales agujeros no pueden existir en la naturaleza? Estos mecanismos no se han encontrado, por lo que se puede suponer que los agujeros de gusano son un fenómeno real.

- ¿Es posible, en principio, ver un agujero de gusano?

Por supuesto. Si una persona sale de repente de la nada en una habitación cerrada, entonces estás observando un agujero de gusano. Los agujeros de gusano como objeto de estudio fueron inventados y promovidos por el físico teórico estadounidense John Wheeler, quien, con su ayuda, quiso explicar, ni más ni menos, las cargas eléctricas. Vamos a explicar. Descripción libre campo eléctrico desde el punto de vista de la física teórica - no muy tarea difícil. Pero describir la carga eléctrica desde el mismo punto de vista es muy difícil. La carga eléctrica aparece en este sentido como algo muy misterioso: algún tipo de sustancia, separada del campo, de origen desconocido, y no está claro cómo tratarla en la física clásica. La idea de Wheeler era la siguiente. Digamos que tenemos un agujero de gusano microscópico, que está plagado de líneas de fuerza: estas líneas entran por un extremo y salen por el otro. Un observador externo que no sepa que estos dos extremos están conectados por líneas de fuerza percibirá dicho objeto como una simple esfera en el espacio, examinará el campo a su alrededor y se verá como el campo de una carga puntual. Al observador solo le parecerá que se trata de una especie de sustancia misteriosa que tiene carga, etc., y todo porque no sabe que en realidad es un agujero de gusano. Por supuesto, esto es muy idea elegante, y muchos intentaron desarrollarlo, pero no progresaron mucho, porque los electrones son, después de todo, objetos cuánticos, y nadie, por supuesto, sabe cómo describir los agujeros de gusano a nivel cuántico. Pero si asumimos que la hipótesis es correcta, entonces los agujeros de gusano son más que un hecho cotidiano, todo lo relacionado con la electricidad en última instancia, estará ligado a ellos.

La materia exótica es un concepto de física clásica que describe cualquier materia (generalmente hipotética) que viola una o más de las condiciones clásicas, o que no consiste en bariones conocidos. Tales sustancias pueden tener propiedades como densidad de energía negativa o repeler en lugar de ser atraídas por la gravedad. La materia exótica se utiliza en algunas teorías, por ejemplo, en la teoría de la estructura de los agujeros de gusano. El representante más famoso de la materia exótica es el vacío en una región con presión negativa producido por el efecto Casimir.

- ¿Qué son los agujeros de gusano?

En términos de viajes teóricos, hay agujeros de gusano atravesables e infranqueables. Intransitables: estos son aquellos a través de los cuales se destruye el pasaje, y esto sucede tan rápido que ningún objeto simplemente tiene tiempo de ir de un extremo al otro. Por supuesto, el segundo tipo de agujeros de gusano, los atravesables, es el más interesante de estudiar. Incluso hay una hermosa teoría que dice que lo que solíamos pensar como agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias son en realidad las bocas de los agujeros de gusano. Esta teoría casi no está desarrollada y no ha encontrado, por supuesto, hasta ahora ninguna confirmación, existe, más bien, como una especie de idea. Su esencia es que fuera del agujero de gusano solo ves que en el centro de la galaxia hay un cierto objeto esféricamente simétrico, pero no puedes decir qué es, un agujero de gusano o un agujero negro, porque estás fuera de este objeto.

De hecho, solo se pueden distinguir por un parámetro: la masa. Si la masa resulta ser negativa, probablemente se trate de un agujero de gusano, pero si la masa es positiva, entonces se necesita información adicional aquí, porque un agujero negro también puede resultar ser un agujero de gusano. La masa negativa en general es uno de los momentos centrales de toda la historia de los agujeros de gusano. Porque para ser transitable, un agujero de gusano debe estar lleno de lo que se llama una sustancia exótica, una sustancia cuya densidad de energía es negativa al menos en algunos lugares, en algunos puntos. En el nivel clásico, nadie ha visto nunca tal sustancia, pero sabemos con certeza que, en principio, puede existir. Se han registrado efectos cuánticos que conducen a la aparición de dicha sustancia. Este es un fenómeno bastante conocido y se llama efecto Casimir. Ha sido registrado oficialmente. Y está conectado precisamente con la existencia de densidad de energía negativa, lo cual es muy inspirador.

El efecto Casimir es un efecto que consiste en la atracción mutua de cuerpos conductores sin carga bajo la acción de fluctuaciones cuánticas en el vacío. La mayoría de las veces estamos hablando de dos paralelos sin carga. superficies de espejo colocado a corta distancia, pero el efecto Casimir también existe para geometrías más complejas. La causa del efecto son las fluctuaciones energéticas del vacío físico debido al constante nacimiento y desaparición en él. partículas virtuales. El efecto fue predicho por el físico holandés Hendrik Casimir en 1948 y luego confirmado experimentalmente.

En general, en la ciencia cuántica, la densidad de energía negativa es algo bastante común, que se asocia, por ejemplo, con la evaporación de Hawking. Si existe tal densidad, podemos hacer la siguiente pregunta: ¿cuál es el tamaño de la masa de un agujero negro (el parámetro del campo gravitatorio que crea)? Hay una solución a este problema que es aplicable a los agujeros negros, es decir, objetos con masa positiva, y hay una solución que es aplicable a la masa negativa. Si hay suficiente materia exótica en el agujero de gusano, entonces la masa exterior de este objeto será negativa. Por lo tanto, uno de los principales tipos de "observaciones" de agujeros de gusano es el seguimiento de objetos que se puede suponer que tienen masa negativa. Y si encontramos tal objeto, entonces con suficiente gran parte probabilidad será posible decir que esto es un agujero de gusano.

Los agujeros de gusano también se dividen en intramundo e intermundo. Si destruimos el túnel entre las dos bocas del segundo tipo de agujeros, podemos ver dos universos completamente inconexos. Tal agujero de gusano se llama intermundo. Pero si hacemos lo mismo y vemos que todo está bien -nos hemos quedado en el mismo Universo- entonces tenemos un agujero de gusano intramundano. Estos dos tipos de agujeros de gusano tienen mucho en común, pero también hay una diferencia importante. El hecho es que un agujero de gusano intramundano, si existe, tiende a convertirse en una máquina del tiempo. En realidad, fue en el contexto de esta suposición que surgió la última oleada de interés por los agujeros de gusano.

Agujero de gusano imaginado por un artista

©depositphotos.com

En el caso de un agujero de gusano intramundano, hay dos diferentes caminos mirar a un vecino: directamente por el túnel o de forma indirecta. Si comienzas a mover una boca del agujero de gusano con respecto a la otra, entonces, de acuerdo con la conocida paradoja de los gemelos, la segunda persona que regresa del viaje será más joven que la restante. Y por otro lado, cuando miras a través del túnel, ambos están sentados en laboratorios que están inmóviles, desde tu punto de vista, no te pasa nada, tus relojes están sincronizados. Por lo tanto, tienes una posibilidad teórica de sumergirte en este túnel y salir en un momento que, desde el punto de vista de un observador externo, precede al momento en que te sumergiste. La demora llevada a un grado apropiado dará lugar a la posibilidad de tal viaje circular en el espacio-tiempo, cuando regreses al lugar original de partida y le des la mano a tu encarnación anterior.

La paradoja de los gemelos es un experimento mental que trata de "probar" la inconsistencia teoría especial relatividad. Según SRT, desde el punto de vista de los observadores "estacionarios", todos los procesos de objetos en movimiento se ralentizan. Por otro lado, el principio de relatividad declara la igualdad de los marcos de referencia inerciales. En base a esto, se construye un argumento que conduce a una aparente contradicción. Para mayor claridad, se considera la historia de dos hermanos gemelos. Uno de ellos (un viajero) realiza un vuelo espacial y el segundo (una persona hogareña) se queda en la Tierra. Muy a menudo, la "paradoja" se formula de la siguiente manera:

Desde el punto de vista de la persona hogareña, el reloj del viajero en movimiento tiene un tiempo de funcionamiento lento, por lo que al regresar, debe estar atrasado con respecto al reloj de la persona hogareña. Por otro lado, la Tierra se movía en relación con el viajero, por lo que el reloj del hogareño debería estar atrasado. De hecho, los hermanos son iguales, por lo tanto, después de regresar, sus relojes deberían mostrar la misma hora. Sin embargo, según SRT, el reloj del viajero estará atrasado. En tal violación de la aparente simetría de los hermanos, se ve una contradicción.

¿Cuál es la diferencia fundamental entre un agujero de gusano y un agujero negro?

En primer lugar, debe decirse que hay dos tipos de agujeros negros: los que se formaron como resultado del colapso de las estrellas y los que existieron originalmente, surgieron junto con la aparición del Universo mismo. Estos son dos fundamentales diferentes tipos agujeros negros. En un momento hubo algo así como un "agujero blanco", ahora rara vez se usa. Un agujero blanco es el mismo agujero negro, pero evolucionando hacia atrás en el tiempo. La materia solo vuela hacia un agujero negro, pero nunca puede escapar de allí. De un agujero blanco, por el contrario, la materia solo sale volando, pero es imposible entrar en ella de ninguna manera. De hecho, esto es algo muy natural, si recordamos que la Teoría General de la Relatividad es simétrica en el tiempo, lo que significa que si hay agujeros negros, debe haber agujeros blancos. Su totalidad es un agujero de gusano.

Agujero negro en la representación del artista

©VICTOR HABBICK VISIONS/SPL/Getty

- ¿Qué se sabe sobre la estructura interna de los agujeros de gusano?

Hasta el momento, solo se están construyendo modelos en este sentido. Por un lado, sabemos que la aparición de esta materia exótica se puede detectar incluso de forma experimental, y todavía quedan muchas preguntas. El único modelo de un agujero de gusano que conozco que es más o menos consistente con la realidad es el modelo de un agujero de gusano que se evapora inicialmente (desde el comienzo del Universo). Debido a esta evaporación, dicho agujero permanece transitable durante mucho tiempo.

- ¿En qué estás trabajando exactamente?

Me dedico a una actividad puramente teórica, lo que generalmente se puede llamar la estructura causal del espacio-tiempo es la Teoría de la Relatividad clásica, a veces semiclásica (la cuántica, como sabemos, aún no existe).

En la teoría clásica no relativista, uno puede presentar evidencia bastante convincente de que el viaje en el tiempo no puede existir, pero en la relatividad general no existe tal evidencia. Y Einstein, cuando recién estaba desarrollando su teoría, era consciente de ello. Se preguntó si había alguna forma de eliminar esa posibilidad. Entonces no hizo frente a esta tarea, como él mismo dijo más tarde. Y aunque Einstein creó un lenguaje para estudiar este tema, la tarea siguió siendo académica. Se produjo un aumento del interés a finales de la década de 1940, cuando Gödel propuso un modelo cosmológico que contenía tales curvas cerradas. Pero como Gödel siempre ofreció algo exótico, fue tratado con interés, pero sin consecuencias científicas graves. Y luego, en algún lugar a fines del siglo pasado, gracias principalmente a la ciencia ficción, por ejemplo, la película "Contacto" con Jodie Foster, se revivió nuevamente el interés en el tema del viaje en el tiempo usando agujeros de gusano. El autor de la novela, en la que está escrito el guión de la película, es un astrónomo muy famoso, divulgador de la ciencia, Carl Sagan. Se tomó el asunto muy en serio y le preguntó a su amigo, también un relativista muy famoso, Kip Thorne, para ver si todo lo que se describe en la película era posible desde el punto de vista de la ciencia. Y publicó un artículo semipopular en la revista para profesores de física estadounidenses "Los agujeros de gusano como herramienta para estudiar la Teoría General de la Relatividad", donde consideraba la posibilidad de viajar en el tiempo a través de agujeros de gusano. Y debo decir que en ese momento la idea de viajar a través de agujeros negros era popular en la ciencia ficción. Pero entendió que un agujero negro es un objeto absolutamente infranqueable: viajar a través de ellos es imposible, por lo que consideró los agujeros de gusano como una oportunidad para viajar en el tiempo. Aunque esto se sabía antes, pero por alguna razón la gente percibió sus conclusiones como una idea completamente nueva y se apresuró a investigarlo. Además, el énfasis estaba en la presunción de que una máquina del tiempo no puede existir, pero decidimos averiguar por qué. Y bastante rápido llegó el entendimiento de que no había objeciones obvias a la existencia de tal máquina en absoluto. Desde entonces, comenzaron más estudios a gran escala, comenzaron a aparecer teorías. Básicamente, he estado haciendo esto desde entonces.

Contacto es una película de ciencia ficción de 1997. Dirigida por Robert Zemeckis. Trama principal: Ellie Arroway (Judy Foster) dedica toda su vida a la ciencia, se convierte en miembro de un proyecto para buscar inteligencia extraterrestre. Todos los intentos de buscar señales extraterrestres son infructuosos y el futuro de su proyecto está en peligro. Ellie se desespera por encontrar apoyo, pero inesperadamente recibe ayuda del excéntrico multimillonario Hadden. Y aquí está el resultado: Ellie capta la señal. La decodificación de señales muestra que contiene una descripción de un dispositivo técnico. Su propósito no está claro, pero en su interior está previsto un lugar para una persona.

Después de construir y lanzar el dispositivo, Ellie viaja a través del sistema de agujeros de gusano y es transportada, presumiblemente a un planeta en otro sistema estelar. Al despertar allí, a la orilla del mar, se encuentra con un representante de otra civilización, que eligió la imagen de su difunto padre. Mirando a su alrededor, la heroína se da cuenta de que esta área está recreada por una mente extraña en su mente en la imagen de un dibujo que dibujó cuando era niña. El extraterrestre le dice que el dispositivo le permite organizar un sistema de comunicaciones interestelares, y la Tierra de ahora en adelante se convierte en miembro de la comunidad de civilizaciones del Universo.

Ellie regresa a la Tierra. Desde el punto de vista de los observadores externos, nada le sucedió después del lanzamiento de la instalación y su cuerpo no abandonó nuestro planeta. Ellie se encuentra en una situación paradójica. Siendo científica, desde el punto de vista de la ciencia rigurosa, no puede confirmar sus palabras de ninguna manera. También resulta una circunstancia más: la cámara de vídeo que llevó Ellie durante el viaje no grabó nada, pero la duración de la grabación en vacío no fue de unos segundos, sino de 18 horas…

¿Es posible "hacer" un agujero de gusano?

Justo sobre esto hay un resultado científico riguroso. Esto se debe a que no hay resultados exactos sobre el estudio de los agujeros de gusano. Hay un teorema que ha sido probado durante mucho tiempo y dice esto. Existe tal cosa como la hiperbolicidad global. En este caso, no importa en absoluto lo que signifique, pero el punto es que mientras y dado que el espacio es globalmente hiperbólico, es imposible crear un agujero de gusano: puede existir en la naturaleza, pero no funcionará para hacerlo. tú mismo. Si logras romper la hiperbolicidad global, quizás puedas crear un agujero de gusano. Pero el hecho es que esta violación en sí misma es una cosa tan exótica, tan mal entendida y mal entendida, que el efecto secundario del nacimiento de un agujero de gusano ya es algo relativamente pequeño en comparación con el hecho mismo de que lograste violar la hiperbolicidad global. . Hay algo muy famoso aquí llamado "principio de censura cósmica estricta" que dice que el espacio siempre es globalmente hiperbólico. Pero esto, en principio, no es más que un deseo. No hay prueba de que este principio sea cierto, simplemente existe cierta certeza interna, común a muchas personas, de que el espacio-tiempo debe ser globalmente hiperbólico. Si esto es así, es imposible crear un agujero de gusano; debe buscar uno existente. Mientras tanto, el propio autor, Roger Penrose, expresó serias dudas sobre la fidelidad del principio de la censura cósmica, pero esa es otra historia.

- Es decir, ¿se requieren algunos costos de energía serios para crear un agujero de gusano?

Es muy difícil decir algo aquí. El problema es que cuando se viola su hiperbolicidad global, también se viola la previsibilidad al mismo tiempo; esto es prácticamente lo mismo. De alguna manera, puede cambiar geométricamente el espacio que lo rodea, por ejemplo, tome una bolsa y colóquela en un lugar diferente. Pero hay ciertos límites a los que puede hacer esto, en particular el límite impuesto por la previsibilidad. Por ejemplo, a veces puedes decir lo que sucederá en 2 segundos y otras veces no. La arista de lo que se puede o no predecir radica precisamente en la hiperbolicidad global. Si tu espacio-tiempo es globalmente hiperbólico, puedes predecir su evolución. Si suponemos que en algún momento viola la hiperbolicidad global, todo se vuelve muy malo con la previsibilidad. Por lo tanto, surge una cosa asombrosa, por ejemplo, que aquí mismo y ahora puede materializarse un agujero de gusano, a través del cual saltará un león. Será un fenómeno exótico, pero no violará ninguna ley de la física. Por otro lado, puede gastar mucho esfuerzo, dinero y recursos para facilitar de alguna manera este proceso. Pero el resultado seguirá siendo el mismo: en ambos casos, no se sabe si aparecerá un agujero de gusano o no. En la física clásica, no podemos hacer nada al respecto: si quiere, surgirá, si no quiere, no surgirá, pero la ciencia cuántica aún no nos da ninguna pista al respecto.

El principio de la "censura cósmica" fue formulado en 1969 por Roger Penrose en la siguiente forma figurativa: "La naturaleza aborrece la singularidad desnuda". Dice que las singularidades del espacio-tiempo aparecen en lugares que, como el interior de los agujeros negros, están ocultos a los observadores. Este principio aún no ha sido probado, y hay razones para dudar de su absoluta corrección (por ejemplo, el colapso de una nube de polvo con un gran momento angular conduce a una "singularidad desnuda", pero no se sabe si esta solución de la ecuaciones de Einstein es estable con respecto a pequeñas perturbaciones de los datos iniciales).

La formulación de Penrose (una forma fuerte de censura cósmica) sugiere que el espacio-tiempo en su conjunto es globalmente hiperbólico.

Más tarde, Stephen Hawking propuso otra formulación (una forma débil de censura cósmica), donde solo se asume la hiperbolicidad global del componente "futuro" del espacio-tiempo.

El texto de la obra se coloca sin imágenes ni fórmulas.
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Las novelas de fantasía describen redes de transporte completas que conectan sistemas estelares y eras históricas, los llamados portales, máquinas del tiempo. Pero mucho más sorprendente es el hecho de que las máquinas del tiempo y los túneles en el espacio se discuten activamente, como hipotéticamente posible, no solo en artículos sobre física teórica, en las páginas de publicaciones científicas acreditadas, sino también en los medios. Ha habido muchos informes sobre el descubrimiento por parte de científicos de algunos objetos hipotéticos llamados "agujeros de gusano".

Al seleccionar material para el NPC sobre el tema "Agujeros negros", nos encontramos con el concepto de "Agujeros de gusano". Este tema nos interesó, e hicimos una comparación entre ellos.

Objetivo: Análisis comparativo de agujeros negros y agujeros de gusano.

Tareas: 1. Recopilar material sobre agujeros negros y agujeros de gusano;

2. Hacer análisis detallado información recibida;

3. Comparar agujeros negros y agujeros de gusano;

4. Crea una película educativa para los estudiantes.

Hipótesis:¿Es posible viajar en el espacio-tiempo gracias a los agujeros de gusano?

Objeto de estudio: literatura y otros recursos sobre agujeros de gusano y agujeros negros.

Tema de estudio: versión de la existencia de agujeros de gusano.

Métodos: estudio de la literatura; uso de los recursos de Internet.

Significado práctico de este trabajo es utilizar el material recopilado con fines educativos en las lecciones de física y en actividades extracurriculares en esta materia.

En el trabajo presentado, se utilizaron materiales de artículos científicos, publicaciones periódicas, recursos de Internet.

Capítulo 1. Antecedentes históricos

En 1935, los físicos Albert Einstein y Nathan Rosen, utilizando la teoría de la relatividad general, sugirieron que existen "puentes" especiales a través del espacio-tiempo en el universo. Estos caminos, llamados puentes de Einstein-Rosen (o agujeros de gusano), conectan dos puntos completamente diferentes en el espacio-tiempo creando teóricamente una deformación en el espacio que acorta el viaje de un punto a otro.

Teóricamente, un agujero de gusano consta de dos entradas y un cuello (es decir, el mismo túnel). Las entradas a los agujeros de gusano tienen forma esferoidal, y el cuello puede ser un segmento recto del espacio o una espiral.

Durante mucho tiempo, este trabajo no despertó mucho interés entre los astrofísicos. Pero en la década de 1990, el interés por estos objetos comenzó a recuperarse. En primer lugar, el retorno del interés se asoció con el descubrimiento de la energía oscura en la cosmología.

El término inglés que ha echado raíces para "agujeros de gusano" desde los años 90 se ha convertido en "agujero de gusano", pero los primeros en proponer este término allá por 1957 fueron los astrofísicos estadounidenses Mizner y Wheeler. En ruso, "agujero de gusano" se traduce como "agujero de gusano". Este término no fue del agrado de muchos astrofísicos de habla rusa, y en 2004 se decidió votar sobre varios términos propuestos para tales objetos. Entre los términos propuestos estaban tales como: "agujero de gusano", "agujero de gusano", "agujero de gusano", "puente", "agujero de gusano", "túnel", etc. En la votación participaron astrofísicos de habla rusa con publicaciones científicas sobre este tema. Como resultado de esta votación, ganó el término "agujero de gusano".

En física, el concepto de agujeros de gusano surgió en 1916, justo un año después de que Einstein publicara su gran obra, la teoría general de la relatividad. El físico Karl Schwarzschild, que entonces servía en el ejército del Kaiser, encontró la solución exacta de las ecuaciones de Einstein para el caso de una estrella puntual aislada. Lejos de una estrella, su campo gravitatorio es muy similar al de una estrella ordinaria; Einstein incluso usó la solución de Schwarzschild para calcular la desviación de la luz alrededor de una estrella. El resultado de Schwarzschild tuvo un efecto inmediato y muy poderoso en todas las ramas de la astronomía, y hoy sigue siendo una de las soluciones más famosas de las ecuaciones de Einstein. Varias generaciones de físicos han utilizado el campo gravitatorio de esta estrella puntual hipotética como una expresión aproximada del campo alrededor de una estrella real con un diámetro finito. Pero si consideramos seriamente esta solución puntual, en su centro de repente encontraremos un monstruoso objeto puntual que ha asombrado y conmocionado a los físicos durante casi un siglo: un agujero negro.

Capitulo 2

2.1. agujero de topo

Un agujero de gusano es una supuesta característica del espacio-tiempo, que representa en cualquier momento un "túnel" en el espacio.

El área cerca de la sección más angosta del grano de arena se llama "garganta". Hay toperas transitables e infranqueables. Estos últimos incluyen aquellos túneles que colapsan (destruyen) demasiado rápido para que un observador o una señal pasen de una entrada a otra.

La respuesta radica en el hecho de que, de acuerdo con la teoría de la gravedad de Einstein, la teoría general de la relatividad (GR), el espacio-tiempo de cuatro dimensiones en el que vivimos es curvo, y la gravedad, familiar para todos, es una manifestación de tal curvatura. La materia se “dobla”, deforma el espacio a su alrededor, y cuanto más densa es, más fuerte es la curvatura.

Uno de los hábitats de los "agujeros de gusano" son los centros de las galaxias. Pero aquí lo principal es no confundirlos con los agujeros negros, unos objetos enormes que también se encuentran en el centro de las galaxias. Su masa es miles de millones de nuestros soles. Al mismo tiempo, los agujeros negros tienen una poderosa fuerza de atracción. Es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar de allí, por lo que es imposible verlos con un telescopio ordinario. La fuerza gravitacional de los agujeros de gusano también es enorme, pero si miras dentro del agujero de gusano, puedes ver la luz del pasado.

Los agujeros de gusano a través de los cuales la luz y otras materias pueden pasar en ambas direcciones se llaman agujeros de gusano atravesables. También hay agujeros de gusano impenetrables. Son objetos que exteriormente (en cada una de las entradas) son como un agujero negro, pero dentro de tal agujero negro no hay singularidad (una singularidad en física es una densidad infinita de materia que rompe y destruye cualquier otra materia que entra). Además, la propiedad de singularidad es obligatoria para los agujeros negros ordinarios. Y el agujero negro en sí mismo está determinado por la presencia de su superficie (esfera), de debajo de la cual ni siquiera la luz puede escapar. Tal superficie se llama horizonte de agujero negro (u horizonte de eventos).

Por lo tanto, la materia puede entrar en un agujero de gusano impenetrable, pero ya no puede salir de él (muy similar a la propiedad de un agujero negro). También puede haber agujeros de gusano semitransitables, en los que la materia o la luz pueden pasar a través del agujero de gusano solo en una dirección, pero no pueden pasar en la otra.

Las características de los agujeros de gusano son las siguientes características:

Un agujero de gusano debe conectar dos regiones no curvas del espacio. La unión se llama agujero de gusano, y su sección central es el cuello del agujero de gusano. El espacio cerca del cuello del agujero de gusano está bastante curvado.

Un agujero de gusano puede conectar dos universos diferentes o el mismo universo en partes diferentes. En este último caso, la distancia a través del agujero de gusano puede ser más corta que la distancia entre las entradas medida desde el exterior.

Los conceptos de tiempo y distancia en un espacio-tiempo curvo dejan de ser valores absolutos, es decir tal como subconscientemente siempre nos hemos acostumbrado a considerarlos.

El estudio de los modelos de agujeros de gusano muestra que la materia exótica es necesaria para su existencia estable en el marco de la teoría de la relatividad de Einstein. A veces, esa materia también se llama materia fantasma. Para la existencia estable de un agujero de gusano, una cantidad arbitrariamente pequeña de materia fantasma es suficiente, digamos, solo 1 miligramo (o tal vez incluso menos). En este caso, el resto de la materia que soporta el agujero de gusano debe cumplir la condición: la suma de la densidad de energía y la presión es cero. Y ya no hay nada inusual en esto: incluso el campo eléctrico o magnético más ordinario satisface esta condición. Esto es exactamente lo que se necesita para la existencia de un agujero de gusano con una adición arbitrariamente pequeña de materia fantasma.

2.2. Agujero negro

Un agujero negro es una región en el espacio-tiempo. La atracción gravitatoria es tan fuerte que ni siquiera los objetos que se mueven a la velocidad de la luz, incluidos los propios cuantos de luz, pueden abandonarla. El límite de esta región se denomina horizonte de sucesos.

Teóricamente, la posibilidad de la existencia de tales regiones del espacio-tiempo se deriva de algunas soluciones exactas de las ecuaciones de Einstein. El primero lo obtuvo Karl Schwarzschild en 1915. Se desconoce el inventor exacto del término, pero la designación en sí fue popularizada por John Archibald Wheeler y se usó públicamente por primera vez en la popular conferencia "Nuestro universo: conocido y desconocido". Anteriormente, estos objetos astrofísicos se llamaban "estrellas colapsadas" o "colapsars", así como "estrellas congeladas".

Hay cuatro escenarios para la formación de agujeros negros:

dos realistas:

colapso gravitacional (compresión) de una estrella suficientemente masiva;

colapso de la parte central de la galaxia o gas protogaláctico;

y dos hipótesis:

la formación de agujeros negros inmediatamente después del Big Bang (agujeros negros primordiales);

la aparición de altas energías en las reacciones nucleares.

Las condiciones bajo las cuales el estado final de la evolución de una estrella es un agujero negro no han sido suficientemente estudiadas, ya que para ello es necesario conocer el comportamiento y estados de la materia a densidades altísimas que son inaccesibles al estudio experimental.

Colisión de agujeros negros con otras estrellas, así como colisión estrellas de neutrones, provocando la formación agujero negro, da lugar a la radiación gravitacional más potente que, como era de esperar, podrá detectarse en los próximos años con la ayuda de telescopios gravitacionales. Actualmente, hay informes de colisiones en el rango de rayos X.

El 25 de agosto de 2011 apareció un mensaje que por primera vez en la historia de la ciencia, un grupo de especialistas japoneses y estadounidenses pudo en marzo de 2011 registrar el momento de la muerte de una estrella que está siendo absorbida por un agujero negro. .

Los investigadores de agujeros negros distinguen entre agujeros negros primordiales y cuánticos. Los agujeros negros primordiales actualmente tienen el estatus de una hipótesis. Si en los momentos iniciales de la vida del Universo hubo desviaciones suficientes de la homogeneidad del campo gravitatorio y la densidad de la materia, entonces podrían formarse agujeros negros a partir de ellos por medio del colapso. Al mismo tiempo, su masa no está limitada desde abajo, como en el caso del colapso estelar; su masa probablemente podría ser bastante pequeña. La detección de agujeros negros primordiales es de particular interés en relación con la posibilidad de estudiar el fenómeno de la evaporación de agujeros negros. Como resultado de las reacciones nucleares, pueden surgir agujeros negros microscópicos estables, los llamados agujeros negros cuánticos. Para una descripción matemática de tales objetos, se necesita una teoría cuántica de la gravedad.

Conclusión

Si un agujero de gusano es impenetrable, exteriormente es casi imposible distinguirlo de un agujero negro. Hasta la fecha, la teoría de la física de los agujeros de gusano y los agujeros negros es una ciencia puramente teórica. Los agujeros de gusano son características topológicas del espacio-tiempo, descritas en el marco de la teoría especial de la relatividad de Einstein en 1935.

La teoría general de la relatividad prueba matemáticamente la probabilidad de la existencia de agujeros de gusano, pero hasta el momento ninguno de ellos ha sido descubierto por el hombre. La dificultad para detectarlo radica en el hecho de que la supuesta enorme masa de agujeros de gusano y los efectos gravitatorios simplemente absorben la luz y evitan que se refleje.

Después de analizar toda la información encontrada, descubrimos en qué se diferencian los agujeros de gusano de los agujeros negros y llegamos a la conclusión de que el mundo del espacio aún está muy poco estudiado y la humanidad está al borde de nuevos descubrimientos y oportunidades.

Sobre la base de la investigación realizada, se creó una película educativa "Agujeros de gusano y agujeros negros", que se utiliza en las lecciones de astronomía.

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Un agujero de gusano o agujero de gusano es una característica topológica hipotética del espacio-tiempo, que es un "túnel" en el espacio en cada momento del tiempo (un túnel de espacio-tiempo). Así, el agujero de gusano te permite moverte en el espacio y el tiempo. Las áreas que conecta un agujero de gusano pueden ser áreas de un solo espacio o estar completamente desconectadas. En el segundo caso, el agujero de gusano es el único vínculo entre las dos regiones. El primer tipo de agujeros de gusano a menudo se llama "intramundo", y el segundo tipo es "intermundo".

Como sabes, la Teoría General de la Relatividad prohíbe el movimiento en el Universo a una velocidad superior a la de la luz. Por otro lado, la relatividad general permite la existencia de túneles espacio-temporales, pero es necesario que el túnel se llene de materia exótica con una densidad de energía negativa, que crea una fuerte repulsión gravitatoria y evita que el túnel se derrumbe.

Los taquiones suelen denominarse partículas de materia exótica. Los taquiones son partículas hipotéticas que viajan más rápido que la velocidad de la luz. Para que tales partículas no violen la relatividad general, se supone que la masa de los taquiones es negativa.

Actualmente, no existe una confirmación experimental confiable de la existencia de taquiones en experimentos de laboratorio u observaciones astronómicas. Los físicos solo pueden presumir de una masa "pseudo-negativa" de electrones y átomos, que se obtienen con alta densidad campos eléctricos, polarización especial de rayos láser o temperaturas ultrabajas. En este último caso, los experimentos se realizaron con un condensado de Bose-Einstein, un estado agregado de la materia basado en bosones enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (menos de una millonésima de kelvin). En un estado tan altamente enfriado, es suficiente Número grande los átomos se encuentran en sus mínimos estados cuánticos posibles, y los efectos cuánticos comienzan a manifestarse a nivel macroscópico. El Premio Nobel de Física fue otorgado en 2001 por la producción del condensado de Bose-Einstein.

Sin embargo, varios expertos sugieren que pueden ser taquiones. Estas partículas elementales tienen una masa distinta de cero, lo que se demostró mediante la detección de oscilaciones de neutrinos. El último descubrimiento incluso fue premiado premio Nobel en física para 2015. Por otra parte valor exacto Aún no se han determinado las masas de los neutrinos. Varios experimentos para medir la velocidad de los neutrinos han demostrado que su velocidad puede superar ligeramente la velocidad de la luz. Estos datos son constantemente cuestionados, pero en 2014 un Nuevo trabajo en esta ocasión.

Teoria de las cuerdas

Paralelamente, algunos teóricos sugieren que en el Universo primitivo podrían haberse formado formaciones especiales (cuerdas cósmicas) con masa negativa. La longitud de las cuerdas cósmicas reliquia puede alcanzar al menos varias decenas de parsecs con un grosor inferior al diámetro de un átomo a una densidad media de 10 22 gramos por cm 3 . Hay varios trabajos que indican que tales formaciones se observaron en los eventos de lentes gravitacionales de luz de cuásares distantes. En general, actualmente es el candidato más probable para una "teoría del todo" o una teoría del campo unificado que combina la teoría de la relatividad y la teoría cuántica del campo. Según él, todas las partículas elementales son hilos oscilantes de energía de unos 10 -33 metros de largo, lo que es comparable a (mínimo tamaño posible objeto en el universo).

La teoría del campo unificado sugiere que existen celdas en las dimensiones del espacio-tiempo con una longitud y un tiempo mínimos. La longitud mínima debe ser igual a la longitud de Planck (aproximadamente 1,6 x 10 −35 metros).

Al mismo tiempo, las observaciones de estallidos de rayos gamma distantes indican que si existe granulación espacial, entonces el tamaño de estos granos no supera los 10-48 metros. Además, no pudo confirmar algunas de las consecuencias de la teoría de cuerdas, que se convirtió en un argumento serio para la falacia de esta teoría fundamental de la física moderna.

Potencialmente significativo en el camino hacia una teoría del campo unificado y los túneles del espacio-tiempo es el descubrimiento en 2014 de una conexión teórica entre el entrelazamiento cuántico y los agujeros de gusano. En un nuevo trabajo teórico, se demostró que la creación de un túnel de espacio-tiempo es posible no solo entre dos agujeros negros masivos, sino también entre dos quarks entrelazados cuánticamente.

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno de la mecánica cuántica en el que los estados cuánticos de dos o más objetos se vuelven interdependientes. Esta interdependencia persiste incluso si estos objetos están separados en el espacio más allá de cualquier interacción conocida. La medición del parámetro de una partícula conduce a una terminación instantánea (por encima de la velocidad de la luz) del estado entrelazado de la otra, lo que está en contradicción lógica con el principio de localidad (en este caso, la teoría de la relatividad no se viola y la información no se transmite).

Kristan Jensen, de la Universidad de Victoria (Canadá), y Andreas Karch, de la Universidad de Washington (EE. transmitir señales de uno a otro. Los investigadores creen que el espacio tridimensional en el que se mueven los quarks es una faceta hipotética del mundo tetradimensional. En el espacio 3D, las partículas entrelazadas cuánticas están conectadas por una especie de "cuerda". Y en el espacio 4D, esta "cadena" se convierte en un agujero de gusano.

Julian Sonner, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE. UU.), ha presentado un par quark-antiquark entrelazado cuánticamente, nacido en un fuerte campo eléctrico que separa partículas con carga opuesta, haciendo que se aceleren en direcciones diferentes. Sonner también concluyó que las partículas entrelazadas cuánticamente en 3D estarían conectadas por un agujero de gusano en 4D. En los cálculos, los físicos utilizaron el llamado principio holográfico, el concepto según el cual toda la física del mundo n-dimensional se refleja completamente en sus "facetas" con el número de dimensiones (n-1). Con tal “proyección”, una teoría cuántica que tenga en cuenta los efectos de la gravedad en un espacio tetradimensional es equivalente a una teoría cuántica “sin gravedad” en un espacio tridimensional. En otras palabras, los agujeros negros en el espacio 4D y un agujero de gusano entre ellos son matemáticamente equivalentes a su proyección holográfica 3D.

Perspectivas de la astronomía de ondas gravitacionales y neutrinos

Las mayores perspectivas en el estudio de las propiedades de la materia en el nivel más microscópico y de alta energía para una mejor comprensión de la gravedad cuántica son la astronomía de ondas gravitacionales y neutrinos debido al hecho de que estudia ondas y partículas con el mayor poder de penetración. Entonces, si la radiación reliquia de microondas del Universo se formó 380 mil años después, ¡los neutrinos reliquia en los primeros segundos y las ondas gravitacionales reliquia en solo 10 -32 segundos! Además, el registro de dicha radiación y partículas de agujeros negros o de eventos catastróficos (fusiones y colapsos de estrellas masivas) tiene grandes perspectivas.

Por otro lado, se están desarrollando activamente los observatorios astrométricos tradicionales, que ahora cubren todo el espectro electromagnético. Dichos observatorios pueden detectar objetos o fenómenos inesperados en el universo primitivo (las primeras nubes interestelares,

agujero de gusano - 1) astrofísico. El concepto más importante de la astrofísica moderna y la cosmología práctica. "Agujero de gusano", o "agujero de topo", es un pasaje transespacial que conecta un agujero negro y su correspondiente agujero blanco.

Un "agujero de gusano" astrofísico perfora el espacio plegado en dimensiones extra y te permite moverte a lo largo de un camino realmente corto entre sistemas estelares.

Los estudios realizados con el telescopio espacial Hubble han demostrado que cada agujero negro es la entrada a un "agujero de gusano" (ver la LEY de Hubble). Uno de los agujeros más grandes se encuentra en el centro de nuestra galaxia. Se ha demostrado teóricamente (1993) que es a partir de este agujero central que se originó el Sistema Solar.

De acuerdo con los conceptos modernos, la parte observable del Universo está literalmente plagada de "agujeros de gusano" que van "de un lado a otro". Muchos astrofísicos destacados creen que viajar a través de "agujeros de gusano" es el futuro de la astronáutica interestelar. "

Todos estamos acostumbrados a que el pasado no se puede devolver, aunque a veces nos apetezca mucho. Durante más de un siglo, los escritores de ciencia ficción han estado pintando todo tipo de incidentes que surgen debido a la capacidad de viajar en el tiempo e influir en el curso de la historia. Además, este tema resultó ser tan candente que a fines del siglo pasado, incluso los físicos que estaban lejos de los cuentos de hadas comenzaron a buscar seriamente soluciones a las ecuaciones que describen nuestro mundo, lo que nos permitiría crear máquinas del tiempo y superar cualquier espacio y tiempo en un abrir y cerrar de ojos.

Las novelas de fantasía describen redes de transporte completas que conectan sistemas estelares y eras históricas. Entré en una cabina estilizada, digamos, como una cabina telefónica, y terminé en algún lugar de la Nebulosa de Andrómeda o en la Tierra, pero visitando tiranosaurios extintos hace mucho tiempo.

Los personajes de tales obras utilizan constantemente el transporte cero de la máquina del tiempo, portales y dispositivos convenientes similares.

Sin embargo, los fanáticos de la ciencia ficción perciben tales viajes sin mucha inquietud: nunca se sabe lo que se puede imaginar, refiriendo la realización de lo inventado a un futuro incierto o a las intuiciones de un genio desconocido. Mucho más sorprendente es el hecho de que las máquinas del tiempo y los túneles en el espacio se discutan con bastante seriedad como hipotéticamente posibles en artículos sobre física teórica, en las páginas de las publicaciones científicas más reputadas.

La respuesta radica en el hecho de que, de acuerdo con la teoría de la gravedad de Einstein, la teoría general de la relatividad (GR), el espacio-tiempo de cuatro dimensiones en el que vivimos es curvo, y la gravedad, familiar para todos, es una manifestación de tal curvatura.

La materia se "dobla", deforma el espacio a su alrededor, y cuanto más densa es, más fuerte es la curvatura.

Numerosas teorías alternativas de la gravitación, cuyo número asciende a cientos, que difieren de la relatividad general en los detalles, conservan lo principal: la idea de la curvatura del espacio-tiempo. Y si el espacio es curvo, ¿por qué no tomar, por ejemplo, la forma de una tubería, cortocircuitando áreas separadas por cientos de miles de años luz o, digamos, eras distantes entre sí? Después de todo, estamos hablando no sólo sobre el espacio, sino sobre el espacio-tiempo?

Recuerde, los Strugatskys (quienes también, por cierto, recurrieron al transporte cero): "Absolutamente no veo por qué el noble don no debería ..." - bueno, digamos, ¿no volar al siglo XXXII? ...

¿Agujeros de gusano o agujeros negros?

Los pensamientos sobre una curvatura tan fuerte de nuestro espacio-tiempo surgieron inmediatamente después del advenimiento de la relatividad general: ya en 1916, el físico austriaco L. Flamm discutió la posibilidad de la existencia de geometría espacial en forma de una especie de agujero que conecta dos mundos. . En 1935, A. Einstein y el matemático N. Rosen llamaron la atención sobre el hecho de que las soluciones más simples de las ecuaciones GR, que describen fuentes aisladas, neutras o cargadas eléctricamente del campo gravitatorio, tienen una estructura espacial de "puente" que casi conecta suavemente dos universos: dos espacio-tiempo idénticos, casi planos.

Estas estructuras espaciales se llamaron más tarde "agujeros de gusano" (traducción bastante vaga palabra inglesa"agujero de gusano" - "agujero de gusano").

Einstein y Rosen incluso consideraron la posibilidad de usar tales "puentes" para describir partículas elementales. De hecho, la partícula en este caso es una formación puramente espacial, por lo que no hay necesidad de modelar específicamente la fuente de masa o carga, y con las dimensiones microscópicas del agujero de gusano, un observador externo distante ubicado en uno de los espacios solo ve una fuente puntual con cierta masa y carga.

Líneas eléctricas de fuerza entran en el agujero por un lado y salen por el otro, sin empezar ni terminar en ningún sitio.

En palabras del físico estadounidense J. Wheeler, resulta "masa sin masa, carga sin carga". Y en este caso, no es necesario creer que el puente conecta dos universos diferentes: la suposición de que ambas "bocas" del agujero de gusano se abren al mismo universo, pero en diferentes puntos y en tiempos diferentes- algo así como un "mango" hueco, cosido al mundo casi plano habitual.

Una boca, por la que entran las líneas de fuerza, se puede ver como carga negativa (por ejemplo, un electrón), la otra, por la que salen, como positiva (positrón), las masas serán las mismas en ambas lados

A pesar del atractivo de tal imagen, (por muchas razones) no echó raíces en la física de partículas elementales. Es difícil atribuir propiedades cuánticas a los "puentes" de Einstein - Rosen, y sin ellos no hay nada que hacer en el microcosmos.

A valores conocidos masas y cargas de partículas (electrones o protones), el puente Einstein-Rosen no se forma en absoluto, sino que la solución "eléctrica" ​​predice la llamada singularidad "desnuda", el punto en el que la curvatura del espacio y campo eléctrico volverse interminable. El concepto de espacio-tiempo, aunque sea curvo, pierde su significado en tales puntos, ya que es imposible resolver ecuaciones con términos infinitos. La propia relatividad general establece claramente dónde deja de funcionar exactamente. Recordemos las palabras dichas anteriormente: "conectando casi sin problemas ...". Este "casi" se refiere al defecto principal de los "puentes" de Einstein - Rosen - una violación de la suavidad en la parte más estrecha del "puente", en el cuello.

Y esta violación, hay que decirlo, no es trivial: en tal cuello, desde el punto de vista de un observador distante, el tiempo se detiene...

Por conceptos modernos, lo que Einstein y Rosen vieron como la garganta (es decir, el punto más estrecho del "puente") no es en realidad más que el horizonte de sucesos de un agujero negro (neutro o cargado).

Además, desde diferentes lados del "puente", las partículas o los rayos caen sobre diferentes "secciones" del horizonte, y entre, relativamente hablando, las partes derecha e izquierda del horizonte, hay un área especial no estática, sin superar que es imposible pasar por el agujero.

Para un observador distante, una nave espacial que se acerca al horizonte de un agujero negro lo suficientemente grande (en comparación con la nave) parece congelarse para siempre, y las señales de él llegan cada vez con menos frecuencia. Por el contrario, según el reloj del barco, el horizonte se alcanza en un tiempo finito.

Habiendo pasado el horizonte, la nave (una partícula o un rayo de luz) pronto descansa inevitablemente en una singularidad, donde la curvatura se vuelve infinita y donde (todavía en el camino) cualquier cuerpo extendido inevitablemente será aplastado y desgarrado.

Esta es la dura realidad dispositivo interno agujero negro. Las soluciones de Schwarzschild y Reisner-Nordstrom que describen agujeros negros con carga eléctrica y neutros esféricamente simétricos se obtuvieron en 1916-1917, pero los físicos entendieron completamente la geometría compleja de estos espacios solo a finales de los años 1950-1960. Por cierto, fue entonces cuando John Archibald Wheeler, conocido por su trabajo en física nuclear y la teoría de la gravedad, propuso los términos "agujero negro" y "agujero de gusano".

Al final resultó que, realmente hay agujeros de gusano en los espacios de Schwarzschild y Reisner-Nordström. Desde el punto de vista de un observador distante, no son completamente visibles, como los propios agujeros negros, y son igual de eternos. Pero para un viajero que se atrevió a penetrar más allá del horizonte, el agujero se derrumba tan rápido que ni un barco, ni una partícula masiva, ni siquiera un rayo de luz volará a través de él.

Para pasar por alto la singularidad, para abrirse paso "hacia la luz de Dios", hacia la otra boca del agujero, es necesario moverse más rápido que la luz. Y los físicos de hoy creen que las velocidades superlumínicas de movimiento de la materia y la energía son imposibles en principio.

Agujeros de gusano y bucles temporales

Entonces, el agujero negro de Schwarzschild puede considerarse como un agujero de gusano impenetrable. El agujero negro de Reisner-Nordstrom es más complicado, pero también infranqueable.

Sin embargo, no es tan difícil idear y describir agujeros de gusano de cuatro dimensiones atravesables, seleccionando el tipo deseado de métrica (una métrica, o tensor métrico, es un conjunto de cantidades que se utilizan para calcular distancias-intervalos de cuatro dimensiones entre puntos de evento, que caracteriza completamente la geometría del espacio-tiempo, y el campo gravitacional). Los agujeros de gusano atravesables son, en general, geométricamente incluso más simples que los agujeros negros: no debería haber horizontes que conduzcan a cataclismos con el paso del tiempo.

El tiempo en diferentes puntos puede, por supuesto, ir a un ritmo diferente, pero no debe acelerarse o detenerse infinitamente.

Debo decir que varios agujeros negros y agujeros de gusano son microobjetos muy interesantes que surgen por sí mismos, como fluctuaciones cuánticas del campo gravitatorio (en longitudes del orden de 10-33 cm), donde, según las estimaciones existentes, el concepto de el espacio-tiempo clásico y suave ya no es aplicable.

En tales escalas, debería haber algo similar a agua o espuma de jabón en una corriente turbulenta, "respirando" constantemente debido a la formación y colapso de pequeñas burbujas. En lugar de un espacio vacío y tranquilo, tenemos miniagujeros negros y agujeros de gusano de las configuraciones más extrañas y entrelazadas que aparecen y desaparecen a un ritmo frenético. Sus tamaños son inimaginablemente pequeños: son tantas veces más pequeños que el núcleo atómico, cuánto más pequeño es este núcleo que el planeta Tierra. Todavía no existe una descripción rigurosa de la espuma del espacio-tiempo, ya que aún no se ha creado una teoría cuántica consistente de la gravedad, pero en términos generales, la imagen descrita se deriva de los principios básicos de la teoría física y es poco probable que cambie.

Sin embargo, desde el punto de vista de los viajes interestelares e intertemporales, se necesitan agujeros de gusano de tamaños completamente diferentes: "Me gustaría" una nave espacial de tamaño razonable o al menos un tanque para atravesar el cuello sin daños (sin él, será incómodo entre los tiranosaurios, ¿no?).

Por tanto, para empezar, es necesario obtener soluciones a las ecuaciones de la gravedad en forma de agujeros de gusano atravesables de dimensiones macroscópicas. Y si asumimos que ese agujero ya apareció, y el resto del espacio-tiempo se ha mantenido casi plano, entonces considere que hay de todo: un agujero puede ser una máquina del tiempo, un túnel intergaláctico e incluso un acelerador.

Independientemente de dónde y cuándo se encuentre una de las bocas de un agujero de gusano, la segunda puede estar en cualquier lugar del espacio y en cualquier momento, en el pasado o en el futuro.

Además, la boca puede moverse a cualquier velocidad (dentro de los límites de la luz) en relación con los cuerpos circundantes; esto no impedirá la salida del agujero al espacio (prácticamente) plano de Minkowski.

Se sabe que es inusualmente simétrico y se ve igual en todos sus puntos, en todas las direcciones y en cualquier marco de inercia, sin importar qué tan rápido se muevan.

Pero, por otro lado, suponiendo la existencia de una máquina del tiempo, nos enfrentamos de inmediato con todo el "ramo" de paradojas como: voló al pasado y "mató al abuelo con una pala" antes de que el abuelo pudiera convertirse en padre. El sentido común normal sugiere que esto, muy probablemente, simplemente no puede ser. Y si una teoría física pretende describir la realidad, debe contener un mecanismo que prohíba la formación de tales "bucles de tiempo", o al menos que los haga extremadamente difíciles de formar.

GR, sin duda, pretende describir la realidad. En él se han encontrado muchas soluciones que describen espacios con bucles de tiempo cerrados, pero por lo general, por una u otra razón, se reconocen como poco realistas o, digamos, "no peligrosos".

Si mucho solución interesante Las ecuaciones de Einstein fueron señaladas por el matemático austriaco K. Godel: este es un universo estacionario homogéneo, girando como un todo. Contiene trayectorias cerradas, viajando a lo largo de las cuales puede regresar no solo al punto de partida en el espacio, sino también al punto de partida en el tiempo. Sin embargo, el cálculo muestra que la duración mínima de dicho bucle es mucho más larga que la vida útil del Universo.

Los agujeros de gusano atravesables, considerados como "puentes" entre diferentes universos, son temporales (como decíamos) al suponer que ambas bocas se abren hacia el mismo universo, ya que los bucles aparecen inmediatamente. Entonces, ¿qué, desde el punto de vista de la relatividad general, impide su formación, al menos a escala macroscópica y cósmica?

La respuesta es simple: la estructura de las ecuaciones de Einstein. En su lado izquierdo hay cantidades que caracterizan la geometría del espacio-tiempo, y en el derecho, el llamado tensor de energía-momento, que contiene información sobre la densidad de energía de la materia y varios campos, sobre su presión en diferentes direcciones, sobre su distribución en el espacio y sobre el estado de movimiento.

Uno puede "leer" las ecuaciones de Einstein de derecha a izquierda, afirmando que son utilizadas por la materia para "decir" al espacio cómo curvarse. Pero también es posible: de izquierda a derecha, entonces la interpretación será diferente: la geometría dicta las propiedades de la materia, que podría proporcionarla, la geometría, la existencia.

Entonces, si necesitamos la geometría de un agujero de gusano, la sustituiremos en las ecuaciones de Einstein, analizaremos y descubriremos qué tipo de materia se requiere. Resulta que es muy extraño y sin precedentes, se llama "materia exótica". Entonces, para crear el agujero de gusano más simple (esféricamente simétrico), es necesario que la densidad de energía y la presión en la dirección radial sumen un valor negativo. ¿Es necesario decir que para los tipos ordinarios de materia (así como para muchos campos físicos conocidos) ambas cantidades son positivas?

La naturaleza, como vemos, ha puesto una seria barrera a la aparición de agujeros de gusano. Pero así es como funciona una persona, y los científicos no son una excepción: si la barrera existe, siempre habrá quien quiera superarla...

El trabajo de los teóricos interesados ​​en los agujeros de gusano se puede dividir condicionalmente en dos direcciones complementarias. El primero, suponiendo de antemano la existencia de agujeros de gusano, considera las consecuencias que se derivan, el segundo trata de determinar cómo ya partir de qué se pueden construir los agujeros de gusano, en qué condiciones aparecen o pueden aparecer.

En las obras de la primera dirección, por ejemplo, se discute tal cuestión.

Supongamos que tenemos a nuestra disposición un agujero de gusano, por el que se puede pasar en cuestión de segundos, y dejamos que sus dos bocas en forma de embudo "A" y "B" se sitúen una cerca de la otra en el espacio. ¿Es posible convertir un agujero así en una máquina del tiempo?

El físico estadounidense Kip Thorne y sus colaboradores mostraron cómo hacer esto: la idea es dejar una de las bocas, "A", en su lugar, y la otra, "B" (que debe comportarse como un cuerpo masivo ordinario), para dispersarse a una velocidad comparable a la velocidad de la luz, y luego regresar y frenar cerca de "A". Entonces, debido al efecto SRT (desaceleración del tiempo en un móvil respecto a uno estacionario), pasará menos tiempo para la boca “B” que para la boca “A”. Además, cuanto mayor sea la velocidad y la duración del recorrido de la boca "B", mayor será la diferencia horaria entre ellas.

Esta, de hecho, es la misma "paradoja de los gemelos" bien conocida por los científicos: un gemelo que regresó de un vuelo a las estrellas resulta ser más joven que su hermano hogareño ... Sea la diferencia de tiempo entre las bocas, por ejemplo, medio año.

Luego, sentados cerca de la boca de "A" en pleno invierno, veremos a través del agujero de gusano una imagen vívida del verano pasado y, en realidad, este verano y regresaremos, después de haber pasado por el agujero. Luego nos acercaremos nuevamente al embudo "A" (como acordamos, está en algún lugar cercano), una vez más nos sumergiremos en el agujero y saltaremos directamente a la nieve del año pasado. Y tantas veces. Moviéndonos en la dirección opuesta, sumergiéndonos en el embudo "B", saltemos medio año hacia el futuro ...

Así, habiendo realizado una sola manipulación con una de las bocas, obtenemos una máquina del tiempo que se puede "usar" constantemente (suponiendo, por supuesto, que el agujero sea estable o que seamos capaces de mantener su "operatividad").

Las obras de la segunda dirección son más numerosas y, quizás, incluso más interesantes. Esta dirección incluye la búsqueda de modelos específicos de agujeros de gusano y el estudio de sus propiedades específicas, que, en general, determinan qué se puede hacer con estos agujeros y cómo usarlos.

Exomateria y energía oscura

Propiedades exóticas de la materia que debe poseer Material de construcción porque resulta que los agujeros de gusano se pueden realizar debido a la llamada polarización de vacío de los campos cuánticos.

A esta conclusión llegaron recientemente los físicos rusos Arkady Popov y Sergey Sushkov de Kazan (junto con David Hochberg de España) y Sergey Krasnikov del Observatorio Pulkovo. Y en este caso, el vacío no es un vacío en absoluto, sino un estado cuántico con la energía más baja, un campo sin partículas reales. En él aparecen constantemente pares de partículas "virtuales", que de nuevo desaparecen antes de que puedan ser detectadas por los dispositivos, pero dejan su rastro muy real en forma de algún tensor de energía-momento con propiedades inusuales.

Y aunque las propiedades cuánticas de la materia se manifiestan principalmente en el microcosmos, los agujeros de gusano generados por ellos (bajo ciertas condiciones) pueden alcanzar tamaños muy decentes. Por cierto, uno de los artículos de S. Krasnikov tiene un título "aterrador": "La amenaza de los agujeros de gusano". Lo más interesante de esta discusión puramente teórica es que el verdadero observaciones astronómicas Los últimos años parecen socavar en gran medida las posiciones de los opositores a la posibilidad de la existencia misma de los agujeros de gusano.

Los astrofísicos, al estudiar las estadísticas de explosiones de supernovas en galaxias a miles de millones de años luz de nosotros, concluyeron que nuestro Universo no solo se está expandiendo, sino que se está expandiendo a una velocidad cada vez mayor, es decir, con aceleración. Además, con el tiempo, esta aceleración incluso aumenta. Esto lo indican con bastante confianza las últimas observaciones realizadas con los últimos telescopios espaciales. Bueno, ahora es el momento de recordar la conexión entre materia y geometría en la relatividad general: la naturaleza de la expansión del Universo está firmemente conectada con la ecuación de estado de la materia, es decir, con la relación entre su densidad y presión. Si la materia es ordinaria (con densidad y presión positivas), entonces la densidad misma cae con el tiempo y la expansión se ralentiza.

Si la presión es negativa e igual en magnitud, pero de signo opuesto a la densidad de energía (entonces su suma = 0), entonces esta densidad es constante en el tiempo y el espacio; esta es la llamada constante cosmológica, que conduce a la expansión con aceleración constante.

Pero para que la aceleración crezca con el tiempo, y esto no es suficiente, la suma de la presión y la densidad de energía debe ser negativa. Nadie ha observado nunca tal materia, pero el comportamiento de la parte visible del Universo parece señalar su presencia. Los cálculos muestran que esta materia extraña e invisible (llamada "energía oscura") en la era actual debería ser de alrededor del 70%, y esta proporción aumenta constantemente (a diferencia de la materia ordinaria, que pierde densidad al aumentar el volumen, la energía oscura se comporta paradójicamente: el Universo se está expandiendo, y su densidad está creciendo). Pero después de todo (y ya hemos hablado de esto), es precisamente esa materia exótica el "material de construcción" más adecuado para la formación de agujeros de gusano.

Uno se siente atraído por fantasear: tarde o temprano, se descubrirá la energía oscura, los científicos y tecnólogos aprenderán cómo espesarla y construir agujeros de gusano, y allí, no muy lejos del "sueño hecho realidad", sobre máquinas del tiempo y sobre túneles que conducen a las estrellas ...

Es cierto que la estimación de la densidad de la energía oscura en el Universo, que asegura su expansión acelerada, es algo desalentadora: si la energía oscura se distribuye de manera uniforme, se obtiene un valor completamente insignificante: alrededor de 10-29 g/cm3. Para una sustancia ordinaria, esta densidad corresponde a 10 átomos de hidrógeno por 1 m3. Incluso el gas interestelar es varias veces más denso. Entonces, si este camino hacia la creación de una máquina del tiempo puede volverse real, no será muy, muy pronto.

Necesito un agujero de rosquilla

Hasta ahora, hemos estado hablando de agujeros de gusano en forma de túnel con cuellos lisos. Pero GR también predice otro tipo de agujeros de gusano y, en principio, no requieren ningún tipo de materia distribuida. Hay toda una clase de soluciones a las ecuaciones de Einstein, en las que el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, plano lejos de la fuente del campo, existe, por así decirlo, en dos copias (u hojas), y común a ambos. son solo un cierto anillo delgado (fuente de campo) y un disco, este anillo limitado.

Este anillo tiene una propiedad verdaderamente mágica: puedes “deambular” por él todo el tiempo que quieras, permaneciendo en “tu propio” mundo, pero una vez que lo atraviesas, te encontrarás en un mundo completamente diferente, aunque similar a él. "tu propio". Y para volver atrás hay que pasar de nuevo por el anillo (y por cualquier lado, no necesariamente por el que acabas de dejar).

El anillo en sí es singular: la curvatura del espacio-tiempo en él se vuelve infinita, pero todos los puntos dentro de él son bastante normales y el cuerpo que se mueve allí no experimenta ningún efecto catastrófico.

Es interesante que haya muchas soluciones de este tipo, tanto neutras como con carga eléctrica, con rotación y sin ella. Tal, en particular, es la famosa solución del neozelandés R. Kerr para un agujero negro en rotación. Describe de manera más realista los agujeros negros de escalas estelares y galácticas (cuya existencia la mayoría de los astrofísicos ya no dudan), ya que casi todos los cuerpos celestes experimentan rotación, y cuando se comprimen, la rotación solo se acelera, especialmente cuando se colapsa en un agujero negro.

Entonces, ¿resulta que los agujeros negros giratorios son candidatos "directos" para las "máquinas del tiempo"? Sin embargo, los agujeros negros que se forman en los sistemas estelares están rodeados y llenos de gas caliente y radiación fuerte y mortal. Además de esta objeción puramente práctica, también hay una fundamental relacionada con las dificultades de salir de debajo del horizonte de eventos a una nueva “hoja” espacio-temporal. Pero no vale la pena detenerse en esto con más detalle, ya que, según la relatividad general y muchas de sus generalizaciones, los agujeros de gusano con anillos singulares pueden existir sin horizonte alguno.

Entonces, hay al menos dos posibilidades teóricas para la existencia de agujeros de gusano que conectan mundos diferentes: las madrigueras pueden ser lisas y consistir en materia exótica, o pueden surgir debido a una singularidad, permaneciendo transitables.

Espacio y cadenas

Los anillos singulares delgados se asemejan a otros objetos inusuales predichos por la física moderna: cuerdas cósmicas que se formaron (según algunas teorías) en el Universo primitivo cuando la materia superdensa se enfrió y sus estados cambiaron.

Realmente se parecen a cuerdas, solo que extraordinariamente pesadas: muchos miles de millones de toneladas por centímetro de longitud con un grosor de una fracción de micra. Y, como lo demostraron el estadounidense Richard Gott y el francés Gerard Clement, varias cuerdas que se mueven entre sí a altas velocidades pueden usarse para crear estructuras que contienen bucles de tiempo. Es decir, moviéndote de cierta manera en el campo gravitatorio de estas cuerdas, puedes volver al punto de partida antes de salir volando de él.

Los astrónomos han estado buscando durante mucho tiempo este tipo de objetos espaciales, y hoy ya hay un "buen" candidato: el objeto CSL-1. Se trata de dos galaxias sorprendentemente similares, que en realidad probablemente sean una sola, sólo bifurcada debido al efecto de lente gravitacional. Además, en este caso, la lente gravitacional no es esférica, sino cilíndrica, parecida a un hilo largo, delgado y pesado.

¿Ayudará la quinta dimensión?

En el caso de que el espacio-tiempo contenga más de cuatro dimensiones, la arquitectura de los agujeros de gusano adquiere nuevas posibilidades hasta ahora desconocidas.

Así, en los últimos años se ha popularizado el concepto de "mundo brana". Asume que toda la materia observable está ubicada en alguna superficie de cuatro dimensiones (indicada por el término "brana", una palabra abreviada para "membrana"), y en el volumen circundante de cinco o seis dimensiones no hay nada más que un campo gravitatorio. El campo gravitatorio sobre la propia brana (y este es el único que observamos) obedece a las ecuaciones de Einstein modificadas, y tienen una contribución de la geometría del volumen circundante.

Entonces, esta contribución es capaz de jugar el papel de materia exótica que genera agujeros de gusano. Las madrigueras pueden ser de cualquier tamaño y aun así no tener su propia gravedad.

Esto, por supuesto, no agota toda la variedad de "construcciones" de agujeros de gusano, y la conclusión general es que, a pesar de la naturaleza inusual de sus propiedades y de todas las dificultades de una naturaleza fundamental, incluida la filosófica, a la que pertenecen. puede conducir, su posible existencia es digna de ser tratada con toda la seriedad y la debida atención.

No se puede descartar, por ejemplo, que existan grandes agujeros en el espacio interestelar o intergaláctico, aunque solo sea por la concentración de la energía muy oscura que acelera la expansión del Universo.

Todavía no hay una respuesta inequívoca a las preguntas: cómo pueden buscar un observador terrestre y si hay una manera de detectarlos. A diferencia de los agujeros negros, es posible que los agujeros de gusano ni siquiera tengan un campo de atracción notable (también es posible la repulsión) y, por lo tanto, no se deben esperar concentraciones notables de estrellas o gas y polvo interestelar en su vecindad.

Pero asumiendo que pueden "cortar" regiones o épocas que están lejos unas de otras, pasando la radiación de las estrellas a través de ellas mismas, es muy posible esperar que alguna galaxia distante parezca inusualmente cercana.

Debido a la expansión del Universo, cuanto más lejos está la galaxia, mayor es el desplazamiento del espectro (hacia el lado rojo) que nos llega su radiación. Pero al mirar a través de un agujero de gusano, puede que no haya ningún corrimiento al rojo. O será, pero - otro. Algunos de estos objetos se pueden observar simultáneamente de dos maneras: a través del agujero o de la manera "habitual", "más allá del agujero".

Así, el signo de un agujero de gusano cósmico puede ser el siguiente: la observación de dos objetos con propiedades muy similares, pero a distancias aparentes diferentes y con corrimientos al rojo diferentes.

Si a pesar de todo se descubren (o construyen) agujeros de gusano, el área de la filosofía que se ocupa de la interpretación de la ciencia se enfrentará a nuevos y, debo decir, muy tareas dificiles. Y a pesar de lo aparentemente absurdo de los bucles de tiempo y la complejidad de los problemas asociados con la causalidad, esta área de la ciencia, con toda probabilidad, tarde o temprano resolverá todo de alguna manera. Así como en un tiempo "manejó" con problemas conceptuales La mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein...

Kirill Bronnikov, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas