Θεωρίες φυσικής

Τι είναι ακριβώς οι σκουληκότρυπες; Έχουν αποδειχθεί ότι μπορούν να υπάρχουν ή είναι ακόμα θεωρητικές;

Written by Δ.Μ.

Οι σκουληκότρυπες είναι λύσεις στις εξισώσεις πεδίου του Einstein για τη βαρύτητα που ενεργούν ως «σήραγγες», συνδέοντας σημεία του χωροχρόνου κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ταξίδι μεταξύ των σημείων μέσω της σκουληκότρυπας να μπορεί να διαρκέσει πολύ λιγότερο χρόνο από όσο το ταξίδι μέσω του συνηθισμένου χώρου. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι σκουληκότρυπων που ενδιαφέρουν τους φυσικούς: Οι Λορεντζιανές (Lorentzian) σκουληκότρυπες (από τη Γενική Σχετικότητα) και οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες (από την σωματιδιακή φυσική).

Share

Οι σκουληκότρυπες είναι λύσεις στις εξισώσεις πεδίου του Einstein για τη βαρύτητα που ενεργούν ως «σήραγγες», συνδέοντας σημεία του χωροχρόνου κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ταξίδι μεταξύ των σημείων μέσω της σκουληκότρυπας να μπορεί να διαρκέσει πολύ λιγότερο χρόνο από όσο το ταξίδι μέσω του συνηθισμένου χώρου.  Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι σκουληκότρυπων που ενδιαφέρουν τους φυσικούς: Οι Λορεντζιανές (Lorentzian) σκουληκότρυπες (από τη Γενική Σχετικότητα) και οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες (από την σωματιδιακή φυσική).

wormhole

Οι Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ουσιαστικά οι συντομότεροι δρόμοι μέσω του χώρου και του χρόνου. Μελετώνται κυρίως από τους εμπειρογνώμονες στη βαρύτητα του Einstein, και εάν υπάρχουν στην πραγματική ζωή θα ήταν περισσότερο-ή-λιγότερο παρόμοιες με τη σκουληκότρυπα στο Star Trek: Deep Space 9. (Αλλά να θυμηθείτε, ότι η ταινία είναι ακριβώς για ψυχαγωγία, έτσι μην προσπαθείτε να εξαγάγεται λεπτομερή φυσική από το DS9. Στην καλύτερη περίπτωση θα σας δώσει μια ασαφή γενική ιδέα για το τι κάνει).

Οι καλές ειδήσεις για τις Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ότι, μετά από περίπου δέκα πέντε έτη σκληρής εργασίας, δεν μπορούμε να αποδείξουμε ότι δεν υπάρχουν. Οι κακές ειδήσεις είναι ότι είναι πολύ παράξενα αντικείμενα: Εάν υπάρχουν χρειάζονται μεγάλα ποσά αρνητικής μάζας για να κρατηθούν ανοικτές και να εμποδιστούν από την κατάρρευση. (προσοχή η αρνητική μάζα δεν είναι αντι-ύλη, είναι μια περιοχή όπου η ενέργεια του κόσμου είναι μικρότερη από αυτή του συνηθισμένου κενού -σίγουρα παράξενης ουσίας). Μπορούμε να πάρουμε μικρά ποσά αρνητικής ενέργειας στο εργαστήριο (με το φαινόμενο Casimir), αλλά δεν μπορούμε να πάρουμε με τις παρούσες τεχνολογίες, μεγάλα ποσά αρνητικής ενέργειας, τέτοια που απαιτούνται για να κρατήσουμε σε ένα κανονικό μέγεθος την Λορεντζιανή σκουληκότρυπα. (Άστε που μπορούν να υπάρχουν βαθιά ζητήματα της αρχής που αποτρέπει από εμας να συλλέξουμε πολλή αρνητική ενέργεια σε μια θέση.)

Οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες είναι ακόμα πιό παράξενες: ζουν στο «φανταστικό χρόνο» και είναι πραγματικά εικονικές κβαντικές μηχανικές διαδικασίες. Αυτές οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες είναι ενδιαφέρουσες κυρίως στους φυσικούς σωματιδίων (θεωρητικοί κβαντικών πεδίων). Δεν μπορείτε να τους δώσετε μια συμπαθητική κλασσική ερμηνεία με όρους της κλασσικής βαρύτητας πεδίου, και δυστυχώς πρέπει να ξέρετε πολλή κβαντική φυσική για να εκτιμήσετε ακόμη και τις βασικές ιδιότητές τους.

Η ιστορία τους

Einstein Rosen bridgeΟι πρώτες σκουληκότρυπες βρέθηκαν με τη μελέτη της μαθηματικής λύσης για τις μαύρες τρύπες. Εκεί διαπιστώθηκε ότι η γεωμετρική ερμηνεία της λύσης αυτής έμοιαζε με το σχήμα δύο μαύρων οπών (δύο στομάτων) που συνδέθηκαν με έναν «λαιμό» (γνωστή ως γέφυρα Einstein-Rosen). Ο λαιμός είναι ένα δυναμικό αντικείμενο που συνδέεται με τις δύο τρύπες που πιάνονται εξαιρετικά γρήγορα με μια στενή σύνδεση μεταξύ τους.

Τι ακριβώς προκαλεί όμως μια μαύρη τρύπα στο χωροχρόνο; Η Σχετικότητα προβλέπει ότι το κέντρο μιας μαύρης τρύπας είναι ένα σημείο άπειρης πυκνότητας (μια χωροχρονική ανωμαλία) όπου οι συνηθισμένοι νόμοι της Φυσικής δεν ισχύουν πλέον. Ο χρόνος, ο χώρος, η ύλη και η ενέργεια δεν έχουν στην περιοχή μιας ανωμαλίας καλά καθορισμένο νόημα. Οι εξισώσεις του Einstein δείχνουν ότι μια τέτοια ανωμαλία δεν προκαλεί απλά μια λακκούβα στο φανταστικό επίπεδο φύλλο του χωροχρόνου, αλλά δημιουργεί ένα τούνελ που τρυπάει το επίπεδο φύλλο και στιγμιαία μας συνδέει με την άλλη του πλευρά.

Που βρίσκεται η άλλη του πλευρά; Μπορεί να βρίσκεται κάπου αλλού στο χωροχρόνο, είτε στο παρελθόν είτε στο μέλλον ή ακόμη να βρίσκεται και σε ένα άλλο Σύμπαν. Υποτίθεται ότι στα μυθιστορήματα οι “Κυρίαρχοι του Χρόνου” είναι εκείνοι που πρώτοι κατάφεραν να τιθασεύσουν τη δύναμη των μαύρων οπών για να αρχίσουν τα πειράματά τους με το ταξίδι στο χρόνο. Αν μπορούσατε να περάσετε ένα διαστημόπλοιο μέσα από ένα τέτοιο τούνελ ή αλλιώς σκουληκότρυπα όπως λέγεται, θα είχατε ανακαλύψει το μυστικό των ταξιδιών στο χρόνο. Κάτι τέτοιο είναι φυσικά αδύνατο με την παρούσα τεχνολογία αλλά στο μέλλον ποιος ξέρει;

Οι θεωρητικοί έχουν βρει από τότε κι άλλες λύσεις σκουληκότρυπας. Αυτές οι λύσεις συνδέουν διάφορες γεωμετρικές μορφές σε καθένα στόμιο της σκουληκότρυπας. Μια καταπληκτική πτυχή της σκουληκότρυπας είναι ότι επειδή μπορούν να συμπεριφερθούν ως ο «συντομότερος δρόμος» του χωροχρόνου, αυτές πρέπει να επιτρέπουν το χρονικό ταξίδι προς τα πίσω. Αυτή η ιδιότητα υπονοεί ότι αν μπορούσαμε να ταξιδέψουμε γρηγορότερα από το φως, θα μπορούσαμε να επικοινωνήσουμε με το παρελθόν.

wormhole1Είναι βέβαια περιττό να λεχθεί, ότι αυτή ακριβώς η δυνατότητα είναι που προκαλεί διαταραχές. Το ταξίδι στο χρόνο θα επέτρεπε ποικίλες παράδοξες καταστάσεις, όπως να επιστρέψετε στο παρελθόν και να σκοτώσετε τον παππού σας προτού ο πατέρας σας γεννηθεί (το παράδοξο των παππούδων). Η ερώτηση που προκύπτει τώρα είναι εάν θα ήταν δυνατό να κατασκευαστεί πραγματικά μια σκουληκότρυπα και κινώντας την κατά τέτοιο τρόπο ώστε να γινόταν μια χρησιμοποιήσιμη χρονική μηχανή.

Το ενδιαφέρον όμως για τέτοιες λύσεις σκουληκότρυπας στη Γενική Σχετικότητα υποκινήθηκε όταν εξέτασε ο Michael Morris και o Kip Thorne του Τεχνολογικού ιδρύματος της Καλιφόρνιας τις γενικές ιδιότητες που είναι απαραίτητες για μια σκουληκότρυπα για να παραμείνει ανοικτή. Διαπίστωσαν ότι η γεωμετρία μιας σκουληκότρυπας είναι εγγενώς ασταθής. Και ότι αν μια σκουληκότρυπα είναι στατική και αμετάβλητη στο χρόνο, τότε πρέπει να περιέχει «εξωτική» ύλη. Τέτοια ύλη έχει αρνητική ενεργειακή πυκνότητα και μια μεγάλη αρνητική πίεση — μεγαλύτερη σε μέγεθος από την ενεργειακή πυκνότητα. Τέτοια ύλη καλείται «εξωτική» καθώς αυτή μοιάζει πολύ λίγο με όλες τις μορφές της γνωστής ύλης. 

Όλες οι μορφές της ύλης γνωστές στους φυσικούς και τους χημικούς έχουν θετική ενεργειακή πυκνότητα (ή, ισοδύναμα,  θετική μάζα), και πιέσεις ή εντάσεις που είναι πάντα μικρότερες από την ενεργειακή πυκνότητα σε μέγεθος. Σε μια τεντωμένη λαστιχένια ζώνη, παραδείγματος χάριν, η πυκνότητα είναι 1014 μεγαλύτερη από την τάση.

Η μια πιθανή πηγή «εξωτικής» ύλης που είναι γνωστή στη θεωρητική φυσική, βρίσκεται στη συμπεριφορά ορισμένων κενών καταστάσεων στην κβαντική θεωρία πεδίων. Δηλαδή οι κβαντικές διακυμάνσεις σε διάφορα πεδία να είναι σε θέση να έχουν αρνητική ενεργειακή πυκνότητα. Σε αυτή τη δυνατότητα εστιάζεται η θεωρητική έρευνας που περιλαμβάνει σκουληκότρυπες.

wormhole-666666Τέτοια έρευνα έχει δείξει ότι είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν τα κβαντικά αποτελέσματα για να ανοίξει μια σκουληκότρυπα πολύ μεγαλύτερη από το χαρακτηριστικό μήκος που συνδέεται με την κβαντική βαρύτητα, γνωστό ως μήκος Planck (περίπου10 -33 εκατοστόμετρα). Εάν η σκουληκότρυπα δεν ήταν πολύ μεγαλύτερη από αυτό το μέγεθος, τότε όχι μόνο θα ήταν άχρηστη για τη μεταφορά των χωροδιαστημοπλοίων, αλλά θα απαιτούταν κβαντική βαρύτητα για να περιγράψει την τρύπα.

Ο Stephen Hawking υπέθεσε ότι ενώ οι σκουληκότρυπες μπορούν να δημιουργηθούν, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το χρονικό ταξίδι. Ακόμη και η εξωτική ύλη που σταθεροποιεί την σκουληκότρυπα ενάντια στις αστάθειές της, υποστήριξε, αν εισαχθεί ένα τέτοιο σωματίδιο ή ακόμη και ένα φωτόνιο μέσα σε αυτή θα την αποσταθεροποιήσει αρκετά γρήγορα ώστε να αποτρέψει τη χρήση της. Αυτό το θέμα είναι γνωστό ως η υπόθεση χρονικής προστασίας. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τα κβαντικά αποτελέσματα θα συνωμοτήσουν ώστε να αποτρέψουν αποτελεσματικά το χρονικό ταξίδι ακόμα και όταν μοιάζει ότι μπορεί να γίνει με την κλασσική φυσική.

Για τους σκοπούς της επιστημονικής φαντασίας, συνήθως υποτίθεται ότι μία χωροχρονική σκουληκότρυπα  αντιπροσωπεύει τον πιο σύντομο δρόμο — ότι με το ταξίδι μιας μικρής απόστασης μέσω της σήραγγας-σκουληκότρυπας, θα καταλήξετε σε έναν προορισμό που θα μπορούσε να είναι έτη φωτός μακριά μέσω του συμβατικού χώρου. Από την άποψη της θεωρητικής φυσικής των σκουληκότρυπων, εντούτοις, δεν υπάρχει κανένας ιδιαίτερος λόγος για τον οποίο η απόσταση πρέπει να είναι πιό σύντομη, μπορεί μέσω της σκουληκότρυπας να είναι η μακρύτερη διαδρομή.

Οι σκουληκότρυπες είναι συνήθως μια μεγάλη θεωρητική διασκέδαση, και είναι φαινομενικά οι έγκυρες λύσεις των εξισώσεων του Einstein. Δεν υπάρχουν, εντούτοις, κανένα πειραματικό στοιχείο για αυτές.

Αναφορά: Scientific American

About the author

Δ.Μ.

Share