Hỏi Jyotiraditya: - WormHole, Singularity

Bí ẩn Timetravel

Với tất cả sự nhiệt tình của tôi cho tương lai của loài người trong không gian, có một vấn đề rất rõ ràng. Chúng ta là những túi thịt mềm chủ yếu là nước và những ngôi sao khác thực sự ở rất xa. Ngay cả với những công nghệ không gian lạc quan nhất mà chúng ta có thể tưởng tượng, chúng ta sẽ không bao giờ chạm tới một ngôi sao khác trong đời người.

Thực tế cho chúng ta biết rằng ngay cả những ngôi sao gần nhất cũng ở rất xa, và sẽ cần một lượng lớn năng lượng hoặc thời gian để thực hiện hành trình. Thực tế nói rằng chúng ta cần một con tàu bằng cách nào đó có thể tồn tại hàng trăm hoặc hàng ngàn năm, trong khi thế hệ sau khi các thế hệ phi hành gia được sinh ra, sống cuộc sống của họ và chết khi chuyển đến một ngôi sao khác.

Khoa học viễn tưởng, mặt khác, làm cho chúng ta sợ hãi với các phương pháp tiên tiến của nó về sức đẩy tiên tiến. Xoay tròn ổ đĩa dọc và ngắm nhìn những ngôi sao chạy ngang qua chúng tôi, thực hiện hành trình đến Alpha Centauri nhanh chóng như một hành trình thú vị.

Bạn biết những gì thậm chí còn dễ dàng hơn? Một lỗ sâu đục; một cánh cổng ma thuật kết nối hai điểm trong không gian và thời gian với nhau. Chỉ cần căn chỉnh các chevron để quay số trong điểm đến của bạn, đợi cho stargate ổn định và sau đó chỉ cần đi bộ Đi bộ! đến đích của bạn một nửa thiên hà.

Vâng, điều đó sẽ thực sự tốt đẹp. Ai đó thực sự nên đi xung quanh để phát minh ra những hố sâu này, mở ra một tương lai mới đầy táo bạo của môn chạy bộ tốc độ giữa các thiên hà. Chính xác thì lỗ sâu đục là gì và trong bao lâu cho đến khi tôi sử dụng nó?

Một lỗ sâu đục, còn được gọi là cầu Einstein-Rosen là một phương pháp lý thuyết về gấp không gian và thời gian để bạn có thể kết nối hai nơi trong không gian lại với nhau. Sau đó bạn có thể đi du lịch ngay lập tức từ nơi này đến nơi khác.

Chúng tôi sẽ sử dụng phần trình diễn kinh điển đó từ bộ phim Interstellar, nơi bạn vẽ một đường thẳng từ hai điểm, trên một tờ giấy và sau đó gấp tờ giấy lại và đưa bút chì của bạn qua để rút ngắn hành trình. Điều đó làm việc tuyệt vời trên giấy, nhưng đây có phải là vật lý thực tế?

Như Einstein đã dạy chúng ta, lực hấp dẫn không phải là một lực kéo vật chất như từ tính, nó thực sự là một sự cong vênh của không thời gian. Mặt trăng nghĩ rằng nó chỉ đi theo một đường thẳng trong không gian, nhưng nó thực sự đi theo con đường bị biến dạng do trọng lực của Trái đất tạo ra.

Và như vậy, theo Einstein và nhà vật lý học Nathan Rosen, bạn có thể quấn chặt không thời gian chặt chẽ đến mức hai điểm có chung một vị trí vật lý. Nếu sau đó bạn có thể giữ toàn bộ ổn định, bạn có thể cẩn thận tách hai vùng không thời gian để chúng vẫn ở cùng một vị trí, nhưng cách nhau bởi bất kỳ khoảng cách nào bạn muốn.

Trèo xuống giếng hấp dẫn của một bên của hố giun, và sau đó ngay lập tức xuất hiện ở vị trí khác. Hàng triệu hoặc hàng tỷ năm ánh sáng. Mặc dù lỗ sâu đục về mặt lý thuyết là có thể tạo ra, nhưng thực tế chúng không thể từ những gì chúng ta hiện đang hiểu.

Vấn đề lớn đầu tiên là lỗ sâu đục không thể di chuyển theo Thuyết tương đối rộng. Vì vậy, hãy ghi nhớ điều này; vật lý dự đoán những điều này, cấm chúng được sử dụng như một phương pháp vận chuyển. Đó là một cuộc tấn công khá nghiêm trọng chống lại họ.

Thứ hai, ngay cả khi lỗ sâu đục có thể được tạo ra, chúng sẽ hoàn toàn không ổn định, sụp đổ ngay lập tức sau khi hình thành. Nếu bạn cố gắng đi vào một đầu, bạn cũng có thể đang đi vào một lỗ đen.

Thứ ba, ngay cả khi chúng có thể đi qua và có thể được giữ ổn định, thời điểm bất kỳ vật liệu nào cố gắng đi qua - ngay cả các photon ánh sáng - sẽ khiến chúng sụp đổ.

Tuy nhiên, có một tia hy vọng, bởi vì các nhà vật lý vẫn chưa tìm ra cách thống nhất lực hấp dẫn và cơ học lượng tử.

Điều này có nghĩa là chính Vũ trụ có thể biết những điều về hố giun mà chúng ta chưa hiểu. Có thể chúng được tạo ra một cách tự nhiên như một phần của Vụ nổ lớn, khi không thời gian của toàn bộ Vũ trụ bị vướng vào một điểm kỳ dị.

Các nhà thiên văn học đã thực sự đề xuất tìm kiếm các lỗ sâu trong không gian bằng cách tìm kiếm cách lực hấp dẫn của chúng làm biến dạng ánh sáng từ các ngôi sao phía sau chúng. Không có ai đã bật lên.

Một khả năng là các lỗ sâu đục xuất hiện tự nhiên giống như các hạt ảo mà chúng ta biết tồn tại. Ngoại trừ những thứ này sẽ nhỏ một cách khó hiểu, trên thang đo Planck. Bạn sẽ cần một tàu vũ trụ nhỏ hơn.

Một trong những ý nghĩa hấp dẫn nhất của hố giun là chúng có thể cho phép bạn thực sự du hành đúng lúc.

Đây là cách nó hoạt động. Đầu tiên, tạo một lỗ sâu đục trong phòng thí nghiệm. Sau đó lấy một đầu của lỗ sâu đục, đặt nó lên tàu vũ trụ và bay đi với một tỷ lệ đáng kể tốc độ ánh sáng, để sự giãn nở thời gian có hiệu lực.

Đối với những người trên tàu vũ trụ, chỉ vài năm nữa sẽ xảy ra, trong khi nó có thể là hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn cho những người trở lại Trái đất. Giả sử bạn có thể giữ cho worm worm ổn định, mở và đi qua được, thì việc đi qua nó sẽ rất thú vị.

Nếu bạn đi qua một hướng, bạn sẽ không chỉ di chuyển khoảng cách giữa các lỗ sâu, mà bạn còn được chuyển đến thời điểm mà hố sâu đang trải qua. Đi một hướng và bạn tiến lên theo thời gian, đi theo hướng khác: ngược thời gian.

Một số nhà vật lý, như Leonard Susskind nghĩ rằng điều này sẽ không hiệu quả vì điều này sẽ vi phạm hai nguyên tắc cơ bản nhất của vật lý: bảo tồn năng lượng địa phương và nguyên lý bất định thời gian năng lượng.

Thật không may, nó thực sự có vẻ như lỗ sâu đục sẽ cần phải ở lại trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng cho tương lai gần, và có thể là mãi mãi. Ngay cả khi có thể tạo ra các lỗ sâu đục, thì bạn vẫn giữ cho chúng ổn định và mở, và sau đó bạn phải tìm ra cách cho phép vật chất vào chúng mà không bị sụp đổ. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể tìm ra nó, điều đó sẽ khiến việc du hành không gian thực sự rất thuận tiện.

Giống như lỗ đen, hố giun phát sinh là giải pháp hợp lệ cho các phương trình của Thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein, và giống như lỗ đen, cụm từ được đặt ra (năm 1957) bởi nhà vật lý người Mỹ John Wheeler. Cũng giống như các lỗ đen, chúng chưa bao giờ được quan sát trực tiếp, nhưng chúng mọc lên rất dễ dàng trên lý thuyết rằng một số nhà vật lý được khuyến khích nghĩ rằng các đối tác thực sự cuối cùng có thể được tìm thấy hoặc chế tạo.

Năm 1916, nhà vật lý người Áo Ludwig Flamm, trong khi xem xét giải pháp của Karl Schwarzschild về phương trình trường Einstein, mô tả một dạng lỗ đen đặc biệt gọi là lỗ đen Schwarzschild, nhận thấy rằng một giải pháp khác cũng có thể xảy ra. được biết đến như một lỗ trắng của người Viking. Lỗ trắng là sự đảo ngược thời gian về mặt lý thuyết của lỗ đen và, trong khi lỗ đen đóng vai trò là chân không, vẽ trong bất kỳ vật chất nào đi qua chân trời sự kiện, lỗ trắng đóng vai trò là nguồn đẩy vật chất từ ​​chân trời sự kiện. Một số người thậm chí còn suy đoán rằng có một lỗ trắng trên mặt bên kia của tất cả các hố đen, trong đó tất cả các vật chất mà lỗ đen hút lên được thổi ra trong một vũ trụ khác, và thậm chí đó là những gì chúng ta nghĩ về Big Bang trong thực tế đã là kết quả của một hiện tượng như vậy.

Flamm cũng nhận thấy rằng hai giải pháp, mô tả hai vùng không gian-thời gian khác nhau có thể được kết nối về mặt toán học bằng một loại ống dẫn không-thời gian, và theo lý thuyết, ít nhất là, lỗ đen lối vào và lỗ trắng thoát ra ở những nơi hoàn toàn khác nhau trong cùng một vũ trụ hoặc thậm chí trong những vũ trụ khác nhau! Chính Einstein đã khám phá những ý tưởng này hơn nữa vào năm 1935, cùng với Nathan Rosen và cả hai đã đạt được một giải pháp được gọi là cây cầu Einstein-Rosen (còn được gọi là lỗ giun Lorentzian hoặc lỗ giun Schwarzschild).

Để hình dung rõ hơn về lỗ sâu đục, hãy xem xét sự tương tự của một mảnh giấy có hai dấu bút chì được vẽ trên đó (để biểu thị hai điểm trong không gian thời gian), đường thẳng giữa chúng hiển thị khoảng cách từ điểm này đến điểm khác trong không gian thời gian bình thường . Nếu tờ giấy bây giờ bị uốn cong và gấp lại gần gấp đôi (tương đương với thời gian không gian bị cong vênh), thì việc chọc bút chì qua tờ giấy cung cấp một cách ngắn hơn nhiều để liên kết hai điểm, cắt ngắn trong không gian giống như một lỗ sâu đục.

Một số nhà lý thuyết được khuyến khích nghĩ rằng các đối tác thực sự cuối cùng có thể được tìm thấy hoặc bịa đặt và, có lẽ, được sử dụng như một đường hầm hoặc đường tắt để du hành không gian tốc độ cao giữa các điểm xa xôi hoặc thậm chí cho du hành thời gian (với tất cả những nghịch lý tiềm tàng có thể xảy ra ). Tuy nhiên, một đặc tính được chấp nhận chung của các lỗ sâu đục là chúng vốn không ổn định cao và có thể sẽ sụp đổ trong thời gian ngắn hơn nhiều so với việc đi qua phía bên kia. Ở bất cứ giá nào, người ta dự đoán rằng chúng sẽ sụp đổ ngay lập tức nếu ngay cả lượng vật chất nhỏ nhất (thậm chí là một photon) cố gắng đi qua chúng.

Mặc dù một số cách lý thuyết có thể có xung quanh vấn đề này đã được đề xuất (ví dụ: sử dụng các chuỗi vũ trụ của Hồi giáo hoặc các vấn đề tiêu cực, hoặc một số vấn đề kỳ lạ khác với năng lượng âm của Hồi giáo) để ngăn chặn lỗ sâu đục bị đóng lại, ý tưởng vẫn chủ yếu nằm ở lĩnh vực khoa học viễn tưởng trong thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, vẫn chưa được chứng minh về mặt toán học vượt ra ngoài mọi nghi ngờ rằng một số loại vật chất kỳ lạ có mật độ năng lượng âm là một yêu cầu tuyệt đối cho hố giun, cũng như chưa xác định được rằng vật chất kỳ lạ đó không thể tồn tại, vì vậy khả năng ứng dụng thực tế là lý thuyết vẫn còn.

Bởi vì hố giun là một ống dẫn xuyên không gian 4 chiều và không chỉ xuyên qua không gian, Stephen Hawking và những người khác cũng cho rằng về mặt lý thuyết có thể được sử dụng để du hành xuyên thời gian cũng như xuyên không gian, mặc dù người ta tin rằng thời gian du hành vào quá khứ sẽ không bao giờ có thể do tiềm năng cho nghịch lý và các vòng phản hồi tự hủy hoại.

Điểm kỳ dị

Ở trung tâm của lỗ đen là một điểm kỳ dị hấp dẫn, một điểm một chiều chứa một khối lượng lớn trong một không gian nhỏ vô hạn, nơi mật độ và lực hấp dẫn trở thành vô hạn và không gian cong vô tận, và nơi mà các định luật vật lý như chúng ta biết vận hành. Như nhà vật lý nổi tiếng người Mỹ Kip Thorne mô tả về nó, đó là điểm mà tất cả các định luật vật lý phá vỡ.

Lý thuyết hiện tại cho thấy rằng, khi một vật thể rơi vào lỗ đen và tiếp cận điểm kỳ dị ở trung tâm, nó sẽ bị kéo dài ra hoặc bị spaghettified do sự khác biệt về lực hấp dẫn trên các phần khác nhau của nó, trước khi có thể mất hoàn toàn chiều và biến mất không thể cứu vãn thành điểm kỳ dị. Tuy nhiên, một người quan sát theo dõi từ một khoảng cách an toàn bên ngoài sẽ có một cái nhìn khác về sự kiện này. Theo lý thuyết tương đối, họ sẽ thấy vật thể chuyển động ngày càng chậm hơn khi nó tiến gần đến lỗ đen cho đến khi dừng hẳn ở chân trời sự kiện, không bao giờ thực sự rơi vào lỗ đen.

Sự tồn tại của một điểm kỳ dị thường được lấy làm bằng chứng cho thấy lý thuyết tương đối rộng đã bị phá vỡ, điều này có lẽ không bất ngờ vì nó xảy ra trong điều kiện mà hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng. Có thể hình dung rằng một số lý thuyết kết hợp hấp dẫn lượng tử trong tương lai (chẳng hạn như nghiên cứu hiện tại về siêu vật liệu) có thể mô tả các lỗ đen mà không cần đến điểm kỳ dị, nhưng lý thuyết như vậy vẫn còn nhiều năm nữa.

Theo giả thuyết kiểm duyệt vũ trụ của Hồi giáo, một điểm kỳ dị của lỗ đen vẫn ẩn sau chân trời sự kiện, trong đó nó luôn được bao quanh bởi một khu vực không cho phép ánh sáng thoát ra và do đó không thể quan sát trực tiếp. Ngoại lệ duy nhất mà giả thuyết cho phép (được gọi là điểm kỳ dị của người khỏa thân) là bản thân Big Bang ban đầu.

Sau đó, có vẻ như, về bản chất, chúng ta sẽ không bao giờ có thể mô tả đầy đủ hoặc thậm chí hiểu được điểm kỳ dị ở trung tâm của một lỗ đen. Mặc dù người quan sát có thể gửi tín hiệu vào lỗ đen, nhưng không có gì bên trong lỗ đen có thể giao tiếp với bất cứ thứ gì bên ngoài nó, vì vậy bí mật của nó dường như sẽ an toàn mãi mãi.

Jyotiraditya