TUNELE CZASOPRZESTRZENNE (1) - podstawy

TUNELE CZASOPRZESTRZENNE (1) - podstawy

WIZJA ASTRONOMII PLASTYCZNEJ

 

1. 1. UMIEJSCOWIENIE W NAUCE

Jedną z hipotez, zgodnie z przewidywaniami i obliczeniami fizyków i kosmologów i ogólną teorią względności Einsteina, w powiązaniu z którą możliwe są podróże z prędkością nadświetlną, są tzw. tunele czasoprzestrzenne (sama przestrzeń bowiem, jej ruch, zmiany itp. mogłyby, jak się przypuszcza, przekraczać graniczną w fizyce prędkość światła), czyli tzw. wormhole (od worm - robak, hole - dziura - termin po raz pierwszy wprowadzony przez fizyka Johna Wheelera w 1962 r.). Możliwość istnienia takich tuneli uznaje wielu uczonych. Tymi i pokrewnymi zagadnieniami przestrzeni zajmuje się Kalifornijski Uniwersytet Cambridge i Instytut Techniki w USA. Jakie są podstawy tego problemu?

          Tunele czasoprzestrzenne jako czysto teoretyczna hipoteza są naturalną matematyczną konsekwencją równań ogólnej teorii względności Einsteina. Szczególnie, jak uważa np. fizyk i kosmolog, Stephen Hawking, powiązanie teorii względności z fizyką kwantową stwarza możliwość teoretycznego przewidzenia ich istnienia. Jak historycznie rozumienie tych zjawisk się kształtowało?

          W teorii grawitacji Newtona przestrzeń i czas są absolutne oraz niezależne od masy i obserwatorów. W XIX w. zaczęły pojawiać się teorie przestrzeni inne niż euklidesowa, np. Gaussa, Bolyaia, Łobaczewskiego, Minkowskiego, Riemanna, przedstawiające ją w inny sposób. Chodziło tu o różne odmienne interpretacje aksjomatów Euklidesa i inne krzywizny przestrzeni - dodatnie typu np. kuli - sfery (linie geodezyjne) lub ujemne typu np. siodła. Pojęcia czasu i przestrzeni, rozumiane dotąd oddzielnie, połączył w jedną teorię czasoprzestrzeni Herman Minkowski.

          Równania teorii względności Einsteina były określone w sposób przybliżony. Ich rozwinięcie i doprecyzowanie, tzw. zewnętrzne rozwiązanie, znalazł Karl Schwarzschild dla cząstki punktowej w pustej przestrzeni  i wyznaczył dla niej , w jej pobliżu zakrzywienie przestrzeni, oraz tzw. rozwiązanie wewnętrzne przedstawił dla ciała kulistego, np. gwiazdy.

          Jednak pojawiła się tu tzw. osobliwość, obszar, w którym gęstość materii, parametry równań rosną do nieskończoności. Takie punkty  - osobliwości były już stwierdzane w fizyce, np. w elektromagnetyzmie, gdzie cząstka - punkt jako początek o danym ładunku przybiera natężenie nieskończone, podobnie było z teorią grawitacji Newtona i spodziewano się tego w teorii względności. Schwarzschild obliczył dla tej osobliwości tzw. promień grawitacyjny, otaczający obszar wokół punktu centralnego, dla Słońca (3 km).

          Podobne zewnętrzne rozwiązanie równań teorii względności znalazł Johannes Droste, który badał ruch światła i cząstek w pobliżu mas i stwierdził, że poruszając się ku promieniowi grawitacyjnemu nigdy go nie osiągają, kończąc ruch po orbitach kołowych.

          Cały problem stwarzała tu owa osobliwość.  Wydawało to się miejscem, odłączoną dziurą, wyłamującą się z praw fizyki, równań teorii względności, naszego Wszechświata.

          W 1916 r. Ludwig Flamm, przyglądając się bliżej geometrii zjawiska próbował wyobrazić sobie powierzchnię wokół centralnej cząstki punktowej i otrzymany obraz uformował się w postać kanału o zakończeniu w postaci koła. Podobnie ujął to wkrótce Herman Weyl rozszerzając ten model o cały obszar wokół punktu centralnego, przyjmującego tu krańcową wielkość i otrzymując również, tym razem cały, tunel. Powstał problem, czy zjawisko to ma jakieś znaczenie fizyczne.

          Jeśli chodzi o samą osobliwość, to przełom nastąpił w 1932 r., kiedy to Georges Lemaître uznał, że badany obiekt nie jest wcale osobliwością, miejscem w którym grawitacja staje się nieskończona, a „złudzeniem matematycznym”. Z kolei H. P. Robertson podważył to i stwierdził osiągalność obszaru centralnego z punktu widzenia obserwatora wewnętrznego. Istnienie zjawiska takiego samozapadania się mas gwiezdnych odkryli niebawem Robert Oppenheimer i Hartland Snyder.

          A. Einstein w 1939 r., rozważając zjawisko zapadania się wirującej masy cząstek gazu i pyłu przy powstawaniu gwiazd, zakwestionował możliwość zapadnięcia się jej do rozmiarów mniejszych od promienia Schwarzschilda (poniżej promienia masy cząstek równej 1,5 promienia Schwarzschilda cząstki musiałyby poruszać się szybciej niż światło, co jest według niego niemożliwe) i utworzenia czarnej dziury. Tak samo uważał Arthur Eddington, do końca życia nie wierząc w istnienie czarnych dziur, mówiąc że musi istnieć „prawo przyrody, dzięki któremu owo absurdalne zachowanie gwiazd staje się niemożliwe” (M. Kaku, s. 123).

          Oppenheimer i Snyder natomiast odkryli możliwość samozapadania się dużych gwiazd (co byłoby częste, jak sądzili, dla wielu masywnych gwiazd Galaktyki) po wyczerpaniu się ich paliwa jądrowego, na drodze implozji. Być może idea implozji była dla Oppenheimera inspiracją przy późniejszej konstrukcji bomby atomowej.

 

1. 2. POCZĄTKI

Ideę tuneli czasoprzestrzennych jako pierwszy spopularyzował Charles Dodgson, znany pod pseudonimem Lewis Carroll, w książce „Po drugiej stronie lustra”. Carroll był matematykiem i znał matematyczne pojęcie tzw. przestrzeni wielospójnych, które tworzą matematykę tuneli czasoprzestrzennych. Lustro w książce Carrolla było odpowiednikiem tunelu czasoprzestrzennego. W tym podejściu chodziło jednak o matematykę i twory matematyczne, nie zaś namacalną rzeczywistość. Nadanie jemu realnych, fizycznych kształtów nastąpiło później.

          Problem tuneli czasoprzestrzennych został podjęty potem w 1935 r. przez Alberta Einsteina i Nathana Rosena. W opublikowanym artykule w „Physical Review”, analizując problem cząstek w teorii względności i stosując równania Schwarzschilda, fizyka teoretyka zajmującego się czarnymi dziurami, stwierdzili, że zbliżając się do punktu promienia grawitacyjnego formujemy most w postaci lejka, który po obu stronach łączy dwie płaskie, lustrzane czasoprzestrzenie różnych części w naszym lub innym wszechświecie. Wykazali więc, że wrota odkrytych później czarnych dziur prowadzą w bezczasowe mosty łączące różne miejsca w czasie i przestrzeni płaskiego Wszechświata (nazwane tzw. mostami Einsteina-Rosena). Jednak zgodnie z obliczeniami Schwarzschilda obiekt materialny, który dostałby się w obręb tzw. horyzontu czarnej dziury, zostałby zredukowany do tzw. osobliwości.

          Oczywiście fizykalnie tunele czasoprzestrzenne nie zostały jeszcze odkryte. Wiążą się one więc, jak zakłada teoria, z istnieniem hiperprzestrzeni, czyli przestrzeni otaczającej nasz Wszechświat.

 

Powyższy rysunek autora przedstawia powierzchnię, formy życia i przyszłą obecność człowieka na księżycu odkrytej planety pozasłonecznej.

Mglisty, wilgotno-śnieżny księżyc – egzoksiężyc planety HD 10697 B

 

          Materiały źródłowe:

K. Ferguson, „Czarne dziury czyli uwięzione światło”, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.

M. Kaku, „Wszechświaty równoległe. Powstanie Wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2006.

B. Parker, „Kosmiczne podróże w czasie. Odyseja naukowa”, Amber, Warszawa 1997.

 

Tagi: hd 10697 b, tunele czasoprzestrzenne