Tähtien universumi on täynnä monia mysteereitä. Einsteinin luoman yleisen suhteellisuusteorian (GR) mukaan elämme neliulotteisessa aika-avaruudessa. Se on kaareva, ja meille kaikille tuttu painovoima on tämän ominaisuuden ilmentymä. Aine taipuu, "taivuttaa" tilaa ympärillään, ja mitä enemmän, sitä tiheämpää se on. Tila, tila ja aika ovat kaikki erittäin mielenkiintoisia aiheita. Luettuasi tämän artikkelin opit varmasti heistä jotain uutta.
Kaarevuuden idea
Monet muut painovoimateoriat, joita nykyään on satoja, eroavat yksityiskohdista yleisestä suhteellisuusteoriasta. Kaikki nämä tähtitieteelliset hypoteesit säilyttävät kuitenkin pääasia - kaarevuuden idean. Jos avaruus on kaareva, voidaan olettaa, että se voi olla esimerkiksi putken muotoinen, joka yhdistää alueita, joita erottaa useita valovuosia. Ja ehkä jopa aikakaudet kaukana toisistaan. Emmehän kuitenkaan puhu meille tutusta avaruudesta, vaan avaruudesta, kun tarkastelemme kosmosta. Siinä reikänäkyvät vain tietyissä olosuhteissa. Kutsumme sinut katsomaan lähemmin niin mielenkiintoista ilmiötä kuin madonreiät.
Ensimmäiset ideat madonrei'istä
Syvä avaruus ja sen mysteerit kutsuvat. Ajatukset kaarevuudesta ilmaantuivat heti GR:n julkaisun jälkeen. Itäv altalainen fyysikko L. Flamm sanoi jo vuonna 1916, että tilageometria voi olla eräänlaisena kaksi maailmaa yhdistävän reiän muodossa. Matemaatikko N. Rosen ja A. Einstein huomasivat vuonna 1935, että yleisen suhteellisuusteorian puitteissa yksinkertaisimmilla yhtälöiden ratkaisuilla, jotka kuvaavat eristettyjä sähköisesti varautuneita tai neutraaleja lähteitä, jotka luovat gravitaatiokenttiä, on spatiaalinen "silta" -rakenne. Eli ne yhdistävät kaksi universumia, kaksi lähes tasaista ja identtistä tila-aikaa.
Myöhemmin nämä spatiaaliset rakenteet tunnettiin nimellä "madonreiät", joka on melko löysä käännös englannin sanasta wormhole. Sen lähempi käännös on "madonreikä" (avaruudessa). Rosen ja Einstein eivät edes sulkeneet pois mahdollisuutta käyttää näitä "siltoja" kuvailemaan alkeishiukkasia heidän avullaan. Todellakin, tässä tapauksessa hiukkanen on puhtaasti spatiaalinen muodostelma. Siksi ei ole tarvetta mallintaa erityisesti varauslähdettä tai massaa. Ja kaukainen ulkopuolinen tarkkailija, jos madonreiällä on mikroskooppiset mitat, näkee vain pistelähteen, jolla on varaus ja massa ollessaan jossakin näistä tiloista.
Einstein-Rosenin "sillat"
Sähköiset voimalinjat tulevat kaivoon yhdeltä puolelta, ja toiselta puolelta ne poistuvat ilman, että se päättyy tai alkaa mistään. Amerikkalainen fyysikko J. Wheeler sanoi tässä yhteydessä, että saadaan "varaus ilman varausta" ja "massa ilman massaa". Tässä tapauksessa ei ole ollenkaan välttämätöntä ajatella, että silta yhdistää kaksi erilaista universumia. Yhtä sopiva olisi oletus, että madonreiän molemmat "suut" menevät ulos samaan universumiin, mutta eri aikoina ja eri kohdissa sitä. Siitä tulee jotain, joka muistuttaa onttoa "kahvaa", jos se on ommeltu melkein tasaiseen tuttu maailmaan. Voimalinjat tulevat suuhun, mikä voidaan ymmärtää negatiiviseksi varaukseksi (sanotaan vaikka elektroniksi). Suussa, josta ne poistuvat, on positiivinen varaus (positron). Mitä tulee massoihin, ne ovat samat molemmilla puolilla.
Einstein-Rosenin "siltojen" muodostumisen edellytykset
Tämä kuva, kaikesta houkuttelevuudestaan huolimatta, ei ole saanut jalansijaa hiukkasfysiikassa monista syistä. Kvanttiominaisuuksien antaminen Einstein-Rosenin "silloille", jotka ovat mikromaailmassa välttämättömiä, ei ole helppoa. Tällaista "siltaa" ei muodostu lainkaan tunnetuille hiukkasten (protonien tai elektronien) varausten ja massojen arvoille. "Sähköinen" ratkaisu sen sijaan ennustaa "paljaan" singulaarisuuden, eli pisteen, jossa sähkökenttä ja avaruuden kaarevuus muuttuvat äärettömäksi. Tällaisissa kohdissa käsiteaika-avaruus, jopa kaarevuuden tapauksessa, menettää merkityksensä, koska on mahdotonta ratkaista yhtälöitä, joissa on ääretön määrä termejä.
Milloin GR epäonnistuu?
OTO ilmoittaa yksinään tarkalleen, milloin se lakkaa toimimasta. Kaulassa, "sillan" kapeimmassa paikassa, yhteyden sileys on rikottu. Ja on sanottava, että se on melko ei-triviaali. Kaukaisen tarkkailijan asemasta aika pysähtyy tähän kaulaan. Se, mitä Rosen ja Einstein ajattelivat kurkuna, määritellään nyt mustan aukon tapahtumahorisontiksi (joko varautunut tai neutraali). Säteet tai hiukkaset "sillan" eri puolilta putoavat horisontin eri "osille". Ja sen vasemman ja oikean osan välissä on suhteellisesti ei-staattinen alue. Alueen ohittamiseksi on mahdotonta olla ohittamatta sitä.
Kysytymättömyys kulkea mustan aukon läpi
Suhteellisen suuren mustan aukon horisonttia lähestyvä avaruusalus näyttää jäätyvän ikuisesti. Yhä harvemmin siitä saapuvat signaalit … Päinvastoin, laivan kellon mukainen horisontti saavutetaan rajallisessa ajassa. Kun laiva (valonsäde tai hiukkanen) ohittaa sen, se kohtaa pian singulaarisuuden. Tässä kaarevuus muuttuu äärettömäksi. Singulaarissa (vielä matkalla siihen) pidennetty ruumis väistämättä repeytyy ja murskautuu. Tämä on todellisuus mustan aukon toiminnasta.
Lisätutkimus
Vuonna 1916-1917. Reisner-Nordströmin ja Schwarzschildin ratkaisut saatiin. Heissäpallomaisesti kuvaa symmetrisiä sähköisesti varautuneita ja neutraaleja mustia aukkoja. Fyysikot pystyivät kuitenkin täysin ymmärtämään näiden tilojen monimutkaisen geometrian vasta 1950- ja 60-lukujen vaihteessa. Silloin painovoimateorian ja ydinfysiikan parissa tunnettu D. A. Wheeler ehdotti termejä "madonreikä" ja "musta aukko". Kävi ilmi, että Reisner-Nordströmin ja Schwarzschildin tiloissa on todella madonreikiä avaruudessa. Ne ovat täysin näkymättömiä kaukaiselle tarkkailijalle, kuten mustat aukot. Ja heidän tavoin madonreiät avaruudessa ovat ikuisia. Mutta jos matkustaja tunkeutuu horisontin taakse, ne romahtavat niin nopeasti, ettei valonsäde tai massiivinen hiukkanen, saati laiva, voi lentää niiden läpi. Lentääksesi toiseen suuhun, ohittaen singulaarisuuden, sinun on liikuttava valoa nopeammin. Tällä hetkellä fyysikot uskovat, että energian ja aineen supernovanopeudet ovat pohjimmiltaan mahdottomia.
Schwarzschildin ja Reisner-Nordströmin mustat aukot
Schwarzschildin mustaa aukkoa voidaan pitää läpäisemättömänä madonreikänä. Mitä tulee Reisner-Nordströmin mustaan aukkoon, se on hieman monimutkaisempi, mutta myös ylipääsemätön. Silti ei ole niin vaikeaa keksiä ja kuvata avaruuden neliulotteisia madonreikiä, jotka voitaisiin ylittää. Sinun tarvitsee vain valita tarvitsemasi mittarityyppi. Metrinensori tai metriikka on joukko arvoja, joita voidaan käyttää tapahtumapisteiden välisten neliulotteisten intervallien laskemiseen. Tämä arvosarja luonnehtii täysin sekä gravitaatiokenttää ettäaika-avaruusgeometria. Geometrisesti kulkevat madonreiät avaruudessa ovat jopa yksinkertaisempia kuin mustat aukot. Heillä ei ole horisontteja, jotka johtaisivat kataklysmeihin ajan myötä. Eri kohdissa aika voi kulua eri tahtia, mutta sen ei pitäisi pysähtyä tai kiihtyä loputtomasti.
Kaksi linjaa madonreikätutkimusta
Luonto on asettanut esteen madonreikien syntymiselle. Ihminen on kuitenkin järjestetty niin, että jos este on, aina löytyy niitä, jotka haluavat voittaa sen. Ja tiedemiehet eivät ole poikkeus. Madonreikiä tutkivien teoreetikkojen teokset voidaan jakaa ehdollisesti kahteen alueeseen, jotka täydentävät toisiaan. Ensimmäinen käsittelee niiden seurausten huomioimista olettaen etukäteen, että madonreikiä on olemassa. Toisen suunnan edustajat yrittävät ymmärtää, mistä ja miten ne voivat ilmaantua, mitkä olosuhteet ovat välttämättömiä niiden esiintymiselle. Tämänsuuntaisia teoksia on enemmän kuin ensimmäisessä ja ne ovat ehkä mielenkiintoisempia. Tämä alue sisältää madonreikien mallien etsimisen sekä niiden ominaisuuksien tutkimisen.
Venäläisten fyysikkojen saavutukset
Kuten kävi ilmi, madonreikien rakentamisen materiaalina olevan aineen ominaisuudet voidaan toteuttaa kvanttikenttien tyhjiön polarisaation ansiosta. Venäläiset fyysikot Sergei Sushkov ja Arkady Popov yhdessä espanjalaisen tutkijan David Hochbergin ja Sergei Krasnikovin kanssa tulivat äskettäin tähän johtopäätökseen. Tyhjiö tässä tapauksessa ei oletyhjyys. Tämä on kvanttitila, jolle on ominaista pienin energia, eli kenttä, jossa ei ole todellisia hiukkasia. Tällä alalla esiintyy jatkuvasti "virtuaalisia" hiukkaspareja, jotka katoavat ennen kuin laitteet havaitsevat ne, mutta jättävät jälkensä energiatensorin muodossa, eli impulssin, jolle on ominaista epätavalliset ominaisuudet. Huolimatta siitä, että aineen kvanttiominaisuudet ilmenevät pääasiassa mikrokosmuksessa, niiden synnyttämät madonreiät voivat tietyissä olosuhteissa saavuttaa merkittäviä kokoja. Yksi Krasnikovin artikkeleista on muuten nimeltään "Madonreikien uhka".
Filosofian kysymys
Jos madonreikiä koskaan rakennetaan tai löydetään, tieteen tulkintaan liittyvä filosofian ala kohtaa uusia, ja minun on sanottava, erittäin vaikeita haasteita. Kaikesta aikasilmukoiden näennäisen järjettömyydestä ja kausaalisuuden vaikeista ongelmista huolimatta tämä tieteenala luultavasti selvittää sen joskus. Aivan kuten he käsittelivät kvanttimekaniikan ja Einsteinin luoman suhteellisuusteorian ongelmia. Tila, tila ja aika - kaikki nämä kysymykset ovat kiinnostaneet kaikenikäisiä ihmisiä ja ilmeisesti kiinnostavat meitä aina. On lähes mahdotonta tuntea niitä kokonaan. Avaruustutkimusta ei todennäköisesti koskaan saada päätökseen.
