Ville astronauter overleve en interstellar tur gennem et ormhul?

I rumoperaen Interstellar har astronauter, der forsøger at redde menneskeheden, fundet en livline: et ormehul, som på mystisk vis har dukket op ved siden af ​​Saturn. Tunnelen gennem rumtiden fører til en fjern galakse og chancen for at finde beboelige planeter, som mennesker kan kolonisere. Filmens ormehul er baseret på ægte fysik fra den pensionerede CalTech-professor Kip Thorne, en astrofysik-pioner, der også hjalp Carl Sagan med at designe sit ormehul til romanen Kontakt . Visualiseringerne er fantastiske og hyldes som nogle af de mest nøjagtige simuleringer af ormehuller og sorte huller i filmen. Men der er et aspekt ved at kaste sig ud i et interstellært udtryk, som filmen ikke adresserer: Hvordan overlever du turen?

Relateret indhold

• Stephen Hawking mener, at vi kan løse et stort sort hulhulsterium med hår
• Fysikere byggede et ormehul til magneter
• Hvorfor "Interstellar" hører til i pantheonet af de bedste "realistiske" science fiction-film
• Det nærmeste i det virkelige liv til Mysts ormhulsbog

Selvom de ikke kalder det sådan, var det oprindelige ormehul hjernebarn til Albert Einstein og hans assistent Nathan Rosen. De prøvede at løse Einsteins ligninger for generel relativitet på en måde, der i sidste ende ville føre til en rent matematisk model af hele universet, inklusive tyngdekraften og de partikler, der udgør stof. Deres forsøg involverede at beskrive rummet som to geometriske plader forbundet med "broer", som vi opfatter som partikler.

En anden fysiker, Ludwig Flamm, havde uafhængigt opdaget sådanne broer i 1916 i sin løsning på Einsteins ligninger. Desværre for dem alle virkede denne "teori om alting" ikke, fordi de teoretiske broer ikke i sidste ende opførte sig som ægte partikler. Men Einstein og Rosen's papir fra 1935 populariserede konceptet med en tunnel gennem stoffet i rumtid og fik andre fysikere til at tænke alvorligt på implikationerne.

Princeton-fysiker John Wheeler opfandt udtrykket "ormhul" i 1960'erne, da han udforskede modellerne af Einstein-Rosen-broer. Han bemærkede, at broerene svarer til hullerne, som orme bar gennem æbler. En maur, der kravler fra den ene side af æblet til den anden, kan enten plodde hele vejen rundt om den buede overflade eller tage en genvej gennem ormens tunnel. Forestil dig nu, at vores tredimensionelle rumtid er huden på et æble, der krummer sig omkring en højere dimension kaldet "hoveddelen". En Einstein-Rosen-bro er en tunnel gennem hovedparten, der lader rejsende tage en hurtig bane mellem to punkter i rummet. Det lyder mærkeligt, men det er en legitim matematisk løsning på generel relativitet.

Wheeler indså, at munden på Einstein-Rosen-broer let stemmer overens med beskrivelser af det, der er kendt som et Schwarzschild-sort hul, en simpel sfære af materie, der er så tæt, at ikke engang lys kan undslippe dens tyngdekrafttræk. Ah-ha! Astronomer mener, at sorte huller eksisterer og dannes, når kernerne af overordentlig massive stjerner falder sammen på sig selv. Så kunne sorte huller også være ormehuller og dermed indgange til interstellar rejser? Matematisk set måske - men ingen ville overleve turen.

I Schwarzschild-modellen er det mørke hjerte i et sort hul en singularitet, en neutral, ubevægelig sfære med uendelig tæthed. Wheeler beregnet, hvad der ville ske, hvis der dannes et ormehul, når to singulariteter i fjerntliggende dele af universet smelter sammen og skaber en tunnel mellem Schwarzschilds sorte huller. Han fandt ud af, at et sådant ormehul i sagens natur er ustabilt: tunnelen dannes, men så trækker den sig sammen og klemmer sig af og efterlader dig endnu en gang kun to singulariteter. Denne proces med vækst og sammentrækning sker så hurtigt, at ikke engang lys bringer den gennem tunnelen, og en astronaut, der prøver at komme igennem, vil støde på en enestående. Det er pludselig død, da de enorme tyngdekræfter ville rive den rejsende fra hinanden.

"Noget eller nogen, der forsøger turen, bliver ødelagt i klemme!" Thorne skriver i sin ledsagende bog til filmen, The Science of Interstellar .

The Science of Interstellar

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

Der er et alternativ: et roterende Kerr-sort hul, som er en anden mulighed i generel relativitet. Singulariteten inde i et Kerr sort hul er en ring i modsætning til en kugle, og nogle modeller antyder, at en person kunne overleve turen, hvis de passerer pænt gennem midten af ​​denne ring som en basketball gennem en bøjle. Thorne har imidlertid en række indvendinger mod denne opfattelse. I et papir fra 1987 om rejser via ormhul bemærker han, at halsen på et Kerr-ormhul indeholder et område kaldet en Cauchy-horisont, der er meget ustabil. Regnestykket siger, at så snart alt, selv lys, prøver at passere denne horisont, kollapser tunnelen. Selv hvis ormehullet på en eller anden måde kunne stabiliseres, fortæller kvante teorien, at indersiden skal oversvømmes med partikler med høj energi. Sæt foden i et Kerr-ormhul, så bliver du stegt til en sprød.

Kunsten er, at fysik endnu ikke er blevet gift med de klassiske tyngdekraftsregler med kvanteverdenen, en undvigende smule matematik, som mange forskere forsøger at fastlægge. I en twist på billedet foreslog Juan Maldacena ved Princeton og Leonard Susskind i Stanford, at ormehul kan være som de fysiske manifestationer af sammenfiltring, når kvanteobjekter er forbundet uanset hvor langt fra hinanden de er.

Einstein beskrev berømt sammenfiltring som "uhyggelig handling på afstand" og modsatte sig forestillingen. Men masser af eksperimenter fortæller os, at sammenfiltring er reel - det bruges allerede kommercielt til at beskytte onlinekommunikation, såsom banktransaktioner. Ifølge Maldacena og Susskind ændrer store mængder ved sammenfiltring geometrien i rumtiden og kan give anledning til ormehuller i form af sammenfiltrede sorte huller. Men deres version er ingen interstellar gateway.

"Det er ormehuller, som ikke tillader dig at rejse hurtigere end lys, " siger Maldacena. "Imidlertid kan de give dig mulighed for at møde nogen inden i, med det lille advarsel, som de begge derefter ville dø ved en tyngdekraftig singularitet."

OK, så sorte huller er et problem. Hvad kan et ormhul så muligvis være? Avi Loeb ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics siger, at vores muligheder er vidt åbne: "Da vi endnu ikke har en teori, der pålideligt forener generel relativitet med kvantemekanik, kender vi ikke hele zoologiske have mulige rumtidsstrukturer, der kunne rumme ormehuller ".

Der er stadig et problem. Thorne fandt i sit arbejde fra 1987, at enhver type ormehul, der er i overensstemmelse med den generelle relativitet, vil kollapse, medmindre det er forsynet med åbent af det, han kalder "eksotisk stof" med negativ energi. Han hævder, at vi har bevis for eksotisk stof takket være eksperimenter, der viser, hvordan kvantesvingninger i et vakuum ser ud til at skabe negativt tryk mellem to spejle placeret meget tæt sammen. Og Loeb mener, at vores observationer af mørk energi er yderligere antydninger om, at eksotisk stof kan eksistere.

"Vi observerer, at galakser i løbet af den nylige kosmiske historie har løbet væk fra os med en hastighed, der øges med tiden, som om de blev udøvet af frastødende tyngdekraft, " siger Loeb. "Denne accelererede udvidelse af universet kan forklares, hvis universet er fyldt med et stof, der har et undertryk ... ligesom det materiale, der er nødvendigt for at skabe et ormehul." Begge fysikere er dog enige om, at du har brug for for meget eksotisk stof til, at et ormehul nogensinde kan dannes naturligt, og kun en meget avanceret civilisation kunne nogensinde håbe på at samle nok af de ting til at stabilisere et ormhul.

Men andre fysikere er ikke overbeviste. "Jeg tror, ​​at et stabilt, gennemkørseligt ormhul ville være meget forvirrende og synes i strid med fysikens love, som vi kender, " siger Maldacena. Sabine Hossenfelder ved Nordisk Institut for Teoretisk Fysik i Sverige er endnu mere skeptisk: "Vi har absolut nul indikation af, at dette eksisterer. Det antages faktisk, at det ikke kan eksistere, for hvis det gjorde, ville vakuumet være ustabilt." Selv hvis der var eksotisk stof til rådighed, er det måske ikke smukt at rejse gennem det. De nøjagtige effekter afhænger af krumningen af ​​rumtiden omkring ormhullet og densiteten af ​​energien indeni, siger hun. "Det er stort set som med sorte huller: for meget tidevandskræfter, og du bliver revet fra hinanden."

På trods af sine bånd til filmen er Thorne også pessimistisk over, at et gennemkørseligt ormhul endda er muligt, langt mindre overleveligt. "Hvis de kan eksistere, tvivler jeg meget på, at de kan danne sig naturligt i det astrofysiske univers, " skriver han i bogen. Men Thorne værdsætter, at Christopher og Jonah Nolan, der skrev Interstellar, var så ivrige efter at fortælle en historie, der er funderet i videnskaben.

”Historien er nu i det væsentlige alle Chris og Jonahs, ” fortalte Thorne Wired i en eksklusiv samtale. ”Men ånden i det, målet om at have en film, hvor videnskaben er indlejret i stoffet fra starten - og det er stor videnskab - der blev bevaret.”