Adakah Angkasawan Akan Bertahan Perjalanan Sepintas Lalu Melalui Lubang?

Dalam ruang angkasa Interstellar, para angkasawan yang cuba menyelamatkan umat manusia telah menemui garis hayat: lubang cacing yang secara misterius muncul di sebelah Zuhal. Terowong melalui ruang angkasa mengarah ke galaksi jauh dan peluang untuk mencari planet yang boleh dihuni yang manusia dapat menjajah. Cacing lubang filem ini berdasarkan fizik sebenar dari profesor CalTech pensiunan Kip Thorne, perintis astrofizik yang juga membantu Carl Sagan merancang lubang cacingnya untuk hubungan novel. Penglihatan adalah menakjubkan dan dipuji sebagai sebahagian daripada simulasi lubang cacing dan lubang hitam yang paling tepat dalam filem. Tetapi ada satu aspek yang menjunam ke dalam interstellar mengekspresikan bahawa filem itu tidak membahas: Bagaimana anda bertahan perjalanan?

Kandungan Terkait

• Stephen Hawking Pikir Kita Boleh Selesaikan Misteri Lubang Hitam Utama Dengan Rambut
• Pakar fizik Membina lubang cacing untuk Magnet
• Mengapa "Interstellar" ada di Pantheon Filem Fiksyen Sains "Realistik" Terbaik
• The Thing Closest dalam Kehidupan Nyata untuk Buku Wormhole Myst

Walaupun mereka tidak memanggilnya, lubang cacing asli adalah gagasan Albert Einstein dan pembantunya Nathan Rosen. Mereka cuba untuk menyelesaikan persamaan Einstein untuk relativiti umum dengan cara yang akhirnya akan membawa kepada model matematik semata-mata semesta, termasuk graviti dan zarah yang membentuk masalah. Percubaan mereka melibatkan ruang yang digambarkan sebagai dua hela geometri yang dihubungkan dengan "jambatan, " yang kita anggap sebagai zarah.

Seorang lagi ahli fizikal, Ludwig Flamm, telah secara bebas menemui jambatan sedemikian pada tahun 1916 dalam penyelesaiannya kepada persamaan Einstein. Malangnya bagi mereka semua, "teori tentang segala-galanya" ini tidak berfungsi, kerana jambatan teoretikal akhirnya tidak bertindak seperti zarah sebenar. Tetapi karya Einstein dan Rosen 1935 mempopularkan konsep terowong melalui kain ruang masa dan mendapat ahli fizik lain berfikir dengan serius tentang implikasi tersebut.

Ahli fizik Princeton John Wheeler mencipta istilah "lubang cacing" pada tahun 1960-an ketika dia menjelajah model jambatan Einstein-Rosen. Beliau berkata bahawa jambatan adalah serupa dengan lubang-lubang yang cacing itu menembusi epal. Semut merangkak dari satu sisi epal ke yang lain boleh sama rata sepanjang jalannya melengkung, atau mengambil jalan pintas melalui terowong cacing. Sekarang bayangkan ruang masa tiga dimensi kami adalah kulit epal yang melengkung di sekitar dimensi yang lebih tinggi yang disebut "pukal." Jambatan Einstein-Rosen adalah terowong melalui pukal yang membolehkan para pelancong mengambil lorong yang cepat antara dua titik di ruang angkasa. Ia berbunyi aneh, tetapi ia merupakan penyelesaian matematik yang legit kepada relativiti umum.

Wheeler menyedari bahawa mulut jambatan Einstein-Rosen dengan mudah menyerupai penerangan mengenai apa yang dikenali sebagai lubang hitam Schwarzschild, sfera mudah perkara yang sangat padat sehingga tidak dapat melepaskan tarikan graviti. Ah-ha! Para astronom percaya bahawa lubang hitam wujud dan terbentuk apabila inti-bintang yang sangat besar runtuh pada diri mereka sendiri. Jadi boleh lubang hitam juga menjadi lubang cacing dan dengan itu pintu gerbang untuk perjalanan interstellar? Secara matematik, mungkin-tetapi tiada siapa yang akan bertahan dalam perjalanan.

Dalam model Schwarzschild, jantung gelap lubang hitam adalah singulariti, sfera neutral, tidak bergerak dengan ketumpatan tak terhingga. Wheeler mengira apa yang akan berlaku jika lubang cacing dilahirkan apabila dua singulariti di bahagian jauh dari alam semesta menggabungkan secara besar-besaran, mewujudkan terowong antara lubang hitam Schwarzschild. Dia mendapati bahawa lubang cacing semacam ini tidak stabil: bentuk terowong, tetapi kemudian ia berkontrak dan memudar, meninggalkan anda sekali lagi dengan hanya dua singulariti. Proses pertumbuhan dan penguncupan ini berlaku dengan begitu cepat sehingga cahaya tidak dapat meneruskan melalui terowong, dan seorang angkasawan yang cuba melewati akan mengalami keunikan. Itulah kematian yang tiba-tiba, kerana kuasa graviti yang besar akan merobohkan pengembara itu.

"Apa-apa sahaja atau sesiapa sahaja yang cuba membuat perjalanan itu akan hancur dalam keadaan mati-matian!" Thorne menulis dalam buku sahabatnya kepada filem, The Science of Interstellar .

Sains Interstellar

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

Terdapat satu alternatif: lubang hitam Kerr berputar, yang merupakan kemungkinan lain dalam kerelatifan umum. Keistimewaan di dalam lubang hitam Kerr adalah cincin yang bertentangan dengan sfera, dan beberapa model menunjukkan bahawa seseorang itu dapat bertahan hidup jika mereka melewati dengan kemas melalui pusat cincin ini seperti bola keranjang melalui gelung. Thorne, bagaimanapun, mempunyai beberapa bantahan terhadap tanggapan ini. Dalam kertas 1987 tentang perjalanan melalui lubang cacing, dia mencatatkan bahawa tekak lubang cacing Kerr mengandungi rantau yang dipanggil cakrawala Cauchy yang sangat tidak stabil. Matematik mengatakan bahawa sebaik sahaja apa-apa, walaupun cahaya, cuba untuk lulus cakrawala ini, terowong runtuh. Walaupun lubang cacing itu boleh menjadi stabil, teori kuantum memberitahu kita bahawa bahagian dalamnya harus dibanjiri dengan zarah tenaga tinggi. Pukul kaki di lubang Kerr Kerr, dan anda akan digoreng menjadi garing.

Caranya adalah bahawa fizik belum berkahwin dengan peraturan graviti klasik dengan dunia kuantum, sedikit matematik yang sukar difahami bahawa banyak penyelidik cuba untuk menurunkan. Di dalam satu gambar, Juan Maldacena di Princeton dan Leonard Susskind di Stanford mencadangkan bahawa lubang cacing mungkin seperti manifestasi fizikal yang terlewat, apabila objek kuantum dikaitkan tidak kira sejauh mana mereka berada.

Einstein terkenal menggambarkan kelemahan sebagai "tindakan menakutkan di jauh" dan menentang tanggapan itu. Tetapi banyak eksperimen memberitahu kami bahawa kelemahan nyata - ia sudah digunakan secara komersil untuk melindungi komunikasi dalam talian, seperti urus niaga bank. Menurut Maldacena dan Susskind, jumlah yang besar pada kelainan mengubah geometri ruang masa dan dapat menimbulkan cacing dalam bentuk lubang hitam terikat. Tetapi versi mereka tidak ada pintu masuk interstellar.

"Mereka adalah cacing yang tidak membolehkan anda bergerak lebih cepat daripada cahaya, " kata Maldacena. "Bagaimanapun, mereka boleh membenarkan anda bertemu dengan seseorang di dalamnya, dengan kaveat yang kecil bahawa mereka berdua akan mati dengan keunikan graviti."

OK, jadi lubang hitam adalah masalah. Apa, bolehkah lubang ulat mungkin? Avi Loeb di Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics mengatakan pilihan kita terbuka lebar: "Oleh kerana kita belum mempunyai teori yang dapat menyatukan relativiti umum dengan mekanik kuantum, kita tidak mengetahui seluruh zoo struktur ruang masa yang mungkin dapat menampung cacing. "

Masih ada halangan. Thorne mendapati dalam karya beliau 1987 bahawa apa-apa jenis lubang cacing yang konsisten dengan relativiti umum akan runtuh melainkan ia disokong terbuka dengan apa yang dia sebut "perkara eksotik" dengan tenaga negatif. Dia berhujah bahawa kita mempunyai keterangan tentang eksotis berkat eksperimen yang menunjukkan bagaimana turun naik kuantum dalam vakum seolah-olah membuat tekanan negatif antara dua cermin diletakkan sangat dekat bersama-sama. Dan Loeb berpendapat pengamatan kami tentang tenaga gelap lebih lanjut menunjukkan bahawa perkara eksotik mungkin wujud.

"Kami melihat bahawa sepanjang sejarah kosmik baru-baru ini, galaksi telah melarikan diri dari kami pada kelajuan yang meningkat dengan masa, seolah-olah mereka telah bertindak dengan graviti menjijikkan, " kata Loeb. "Perkembangan yang dipercepatkan di alam semesta ini dapat dijelaskan jika alam semesta dipenuhi dengan bahan yang mempunyai tekanan negatif ... sama seperti bahan yang diperlukan untuk membuat lubang cacing." Kedua-dua ahli fizik bersetuju bahawa anda memerlukan terlalu banyak perkara eksotik untuk lubang cacing yang pernah wujud secara semulajadi, dan hanya peradaban yang sangat maju dapat berharap untuk mengumpulkan cukup bahan untuk menstabilkan lubang cacing.

Tetapi ahli fizik lain tidak yakin. "Saya fikir bahawa lubang cacing yang stabil dan boleh dilalui akan sangat mengelirukan dan seolah-olah tidak konsisten dengan undang-undang fizik yang kita tahu, " kata Maldacena. Sabine Hossenfelder di Institut Nordik untuk Fizik Teoritis di Sweden bahkan lebih ragu-ragu: "Kami mempunyai sifar sama ada petunjuk bahawa ini wujud. Sesungguhnya ia dipercayai secara meluas bahawa ia tidak boleh wujud, kerana jika vakum itu tidak stabil, Walaupun bahan eksotik ada, perjalanan melalui mungkin tidak cantik. Kesan yang tepat akan bergantung pada kelengkungan ruang masa sekitar lubang cacing dan ketumpatan tenaga di dalamnya, katanya. "Ia hampir sama dengan lubang hitam: terlalu banyak kuasa pasang surut dan anda akan hancur."

Walaupun hubungannya dengan filem itu, Thorne juga pesimis bahawa lubang cacing yang boleh dilalui bahkan mungkin lebih selamat. "Jika mereka boleh wujud, saya sangat meragui bahawa mereka boleh membentuk secara semula jadi di alam semesta astrofizik, " tulis beliau dalam buku itu. Tetapi Thorne menghargai Christopher dan Jonah Nolan, yang menulis Interstellar, sangat berminat menceritakan kisah yang didasarkan pada sains.

"Cerita ini pada dasarnya adalah semua Chris dan Jonah, " kata Thorne kepada Wired dalam temu bual eksklusif. "Tetapi semangatnya, matlamat mempunyai filem di mana sains tertanam dalam kain dari awal-dan ia sains yang hebat-yang dipelihara."