Črvina (Einstein–Rosenov most): definicija, teorija in potovanje skozi čas

Črvava luknja je teoretični prehod skozi prostor, ki ustvarja bližnjico skozi čas in prostor. Ni znano, ali obstajajo ali ne.

Znanstveniki menijo, da če bi črvine obstajale, jih ne bi bilo mogoče ustvariti s tradicionalnimi znanstvenimi metodami. Da bi se črvina lahko odprla, bi bila potrebna oblika teoretične eksotične snovi. V nasprotnem primeru bi črvina zelo hitro po nastanku preprosto izginila. Če črvino narišemo na dvodimenzionalno ravnino, jo upognemo, kot bi prepognili papir, tako da bi se oba konca dotikala (kot je prikazano na sliki). Izraz črvina je prvi uporabil John Wheeler, teoretični fizik. Znana je tudi kot Einstein-Rosenov most. Črvja luknja je podobna predoru, ki ima dva konca v ločenih točkah v prostoru in času. Raziskovalci nimajo opazovalnih dokazov za črvine.

Črvi so pogost element v znanstveni fantastiki, saj omogočajo hitro medzvezdno, medgalaktično in včasih celo medvesoljsko potovanje. V domišljiji so črvine služile tudi kot metoda za potovanje skozi čas. Ta priljubljena fikcija omogoča medzvezdno potovanje v času človeškega življenja. To bi omogočilo potovanje skozi čas, ki je prav tako priljubljena izmišljotina. Predlagani stroj za potovanje skozi čas, ki bi uporabljal črvino, ki jo je mogoče prečkati, bi hipotetično deloval na naslednji način: Na enem koncu črvine se pospeši do znatnega dela svetlobne hitrosti, morda z naprednim pogonskim sistemom, nato pa se vrne na izhodiščno točko. Druga možnost je, da vzamemo en vhod črvine in ga premaknemo v gravitacijsko polje objekta, ki ima večjo gravitacijo kot drugi vhod, nato pa ga vrnemo na mesto blizu drugega vhoda. Pri obeh načinih dilatacija časa povzroči, da se premaknjeni konec črvine stara manj ali postane "mlajši" od mirujočega konca, kot ga vidi zunanji opazovalec; vendar se čas skozi črvino povezuje drugače kot zunaj nje, tako da bodo sinhronizirane ure na obeh koncih črvine vedno sinhronizirane, kot jih vidi opazovalec, ki gre skozi črvino, ne glede na to, kako se oba konca premikata.

Kaj natančno je črvina (Einstein–Rosenov most)?

Črvina je rešitev enačb splošne teorije relativnosti, ki opisuje topološko povezavo med dvema ločenima regijama prostora-časa. Ime Einstein–Rosenov most izvira iz članka Alberta Einsteina in Borisa Rosenja (1935), kjer so pokazali, da lahko neke vrste matematična struktura v splošni relativnosti poveže dve "asimetrični" območji. V osnovi gre za »prehod« ali »tunel«, ki bi teoretično skrajšal razdalje med oddaljenimi točkami v prostoru in celo omogočil povezave med različnimi časovnimi trenutki.

Vrste črvin in njihova prehodnost

• Einstein–Rosenovi mostovi (klasični, Schwarzschildovi): ti nastanejo v rešitvah, povezanih s črnimi luknjami, vendar niso prehodni. Notranjost vodi na singularnost ali v drugo regijo, a v praksi ne dovoljuje prehoda živega opazovalca zaradi pojavov, kot so horizont dogodkov in nestabilnost.
• Prehodne (traversable) črvine: hipotetične konstrukcije (npr. model Morris–Thorne iz 1988), ki bi dovoljevale varen prehod med obema ustoma. Za takšne so potrebne nenavadne lastnosti snovi — t. i. eksotična snov z negativno energijsko gostoto — kar v naravi ni bilo opazeno v obsegu, potrebnem za stabilno črvino.

Zakaj potrebujemo »eksotično« snov?

Splošna teorija relativnosti vključuje energetske pogoje, ki običajno onemogočajo nastanek struktur kot je črvina. Da bi premostili to omejitev, teoretične rešitve zahtevajo snov, ki krši te pogoje, to pomeni, da ima negativno energijsko gostoto ali pritisk — poenostavljeno: snov, ki bi delovala "odbto" gravitacijsko namesto privlačno. Nekateri kvantni pojavi, kot je Casimirjev efekt, ustvarijo lokalno negativno energijo, a obseg in stabilnost takih učinkov sta daleč od potreb za gradnjo črvine človekovih razsežnosti. Poleg tega kvantne omejitve (kvantne neenakosti) omejujejo količino in trajanje negativne energije.

Črvine kot stroj za potovanje skozi čas — kako bi to delovalo?

V teoretičnem opisu, kot je kratek povzetek v začetnem članku, obstajata dva pogosta načina za »ustvarjanje« časovne razlike med usti črvine:

• Pospeševanje enega ustja blizu svetlobne hitrosti (t. i. efekt bližnje »twin paradox«). Zaradi posebne teorije relativnosti se ta ustje manj postara kot drugo, kar v zunanjih koordinatah ustvari časovno razliko.
• Premik enega ustja v močno gravitacijsko polje (dilatacija časa v splošni relativnosti) — močnejša gravitacija upočasni čas v bližini ustja v primerjavi z drugim ustjem.

Če se po takšni manipulaciji obnovi neposredna povezanost obeh ust (črvina ostane prehodna), lahko obstaja možnost zaprte časovne krivulje — pot, ki vodi nazaj v preteklost — torej teoretično časovno potovanje. Vendar je tukaj veliko tehničnih in konceptualnih ovir.

Glavne težave in nasprotni dokazi

• Stabilnost: mnoge rešitve z črvinami so nestabilne pri najmanjših motnjah; črvina bi se hitro zaprla ali kolabirala.
• Energetske zahteve: potrebna količina negativne energije je verjetno nerealna, in mehanizmi za pridobivanje, shranjevanje in porazdelitev take energije niso znani.
• Kvantne povratne reakcije in zaščita kronologije: nekateri teoretični rezultati kažejo, da kvantni učinki (npr. segrevanje polj v bližini črvine) lahko tvorijo neomejene energije, ki preprečijo nastanek zaprte časovne krivulje. Stephen Hawking je predlagal t. i. »chronology protection conjecture« — mehanizem narave, ki onemogoči časovne paradoxe.
• Odsotnost opazovalnih dokazov: do danes ni nobene neposredne astronomske opazave, ki bi prepričljivo nakazovala obstoj črvine.

Opazovalni znaki in možnosti iskanja

Če bi črvine obstajale, bi lahko imele nekatere opazne posledice:

• posebne oblike gravitacijskega lečenja (lensing), ki bi se razlikovale od tistega, ki ga povzročajo običajne črne luknje;
• nenavadni časovni premiki pri signalu, ki prihaja iz istega izvora po različnih poteh;
• morebitne motnje v galaktični dinamiki ali pojavi, ki jih trenutni modeli ne znajo pojasniti.

Vendar je iskanje takih signalov zahtevno, ker lahko mnoge druge pojave (črne luknje, masivni objekt, le močna ukrivljenost prostora-časa) dajo podobne opazne učinke.

Zaključek — kaj nam pravi znanost danes?

Črvine so fascinanten izdelek teoretične fizike, ki povezuje splošno teorijo relativnosti in kvantne pojave ter odpira vprašanja o naravi prostora, časa in vzroka. Trenutno so črvine v veliki meri hipotezne: niso bile opažene, za njihov obstoj pa bi bila potrebna eksotična snov in rešitve, ki morda niso dopustne v dejanski naravi. Kljub temu ostajajo pomemben pripomoček pri raziskavah meja teorij gravitacije in kvantne fizike ter priljubljena ideja v znanstveni fantastiki.

Za nadaljnje razumevanje je potrebna boljša povezava med kvantno teorijo in gravitacijo (teorija kvantne gravitacije), bolj natančni kvantni izračuni povratnih reakcij in morebitne astronomske opazave, ki bi lahko osvetlile ali izključile nekatere teoretične modele.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je črvina?

V: Kako bi nastala črvina?

V: Kako je videti na dvodimenzionalni ravnini?

V: Kdo je prvi uporabil izraz "črvina"?

V: Kaj imajo raziskovalci na voljo kot dokaz za njihov obstoj?

V: Zakaj se pogosto pojavljajo v znanstvenofantastičnih zgodbah?

V: Kako bi jih lahko uporabili za potovanje skozi čas?

Išči po črki