Bài giảng lỗ giun. Các nhà vật lý thiên văn đang nghiêm túc tìm kiếm “lỗ sâu” trong không gian

Khoa học

Bộ phim bắt mắt về mặt hình ảnh Inresttellar được phát hành gần đây dựa trên các khái niệm khoa học thực tế như lỗ đen quay, lỗ sâu đục và sự giãn nở thời gian.

Nhưng nếu chưa quen với những khái niệm này, bạn có thể sẽ hơi bối rối khi xem.

Trong phim, một nhóm các nhà thám hiểm không gian đi đến du hành ngoài thiên hà qua lỗ sâu đục. Ở phía bên kia, họ thấy mình đang ở một hệ mặt trời khác với một lỗ đen quay thay vì một ngôi sao.

Họ đang trong cuộc chạy đua với không gian và thời gian để hoàn thành sứ mệnh của mình. Kiểu du hành vũ trụ này có vẻ hơi khó hiểu nhưng nó dựa trên các nguyên tắc vật lý cơ bản.

Dưới đây là những cái chính 5 khái niệm vật lý Những điều bạn cần biết để hiểu về Interstellar:

Trọng lực nhân tạo

Vấn đề lớn nhất mà con người chúng ta gặp phải trong chuyến du hành vũ trụ dài ngày là không trọng lượng. Chúng ta sinh ra trên Trái đất và cơ thể đã thích nghi với những điều kiện hấp dẫn nhất định, nhưng khi ở trong không gian một thời gian dài, cơ bắp của chúng ta bắt đầu yếu đi.

Các nhân vật trong phim Interstellar cũng gặp phải vấn đề này.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang tạo ra trọng lực nhân tạo trong tàu vũ trụ. Một cách để làm điều này là quay con tàu vũ trụ, giống như trong phim. Chuyển động quay tạo ra lực ly tâm đẩy các vật thể về phía thành ngoài của tàu. Lực đẩy này tương tự như lực hấp dẫn, chỉ có hướng ngược lại.

Đây là một dạng trọng lực nhân tạo mà bạn gặp phải khi lái xe quanh một khúc cua có bán kính nhỏ và có cảm giác như thể bạn đang bị đẩy ra ngoài, ra khỏi điểm giữa của khúc cua. Trong một con tàu vũ trụ đang quay, các bức tường sẽ trở thành sàn nhà của bạn.

Lỗ đen quay trong không gian

Các nhà thiên văn học, mặc dù gián tiếp, đã quan sát thấy trong Vũ trụ của chúng ta lỗ đen quay. Không ai biết có gì ở trung tâm lỗ đen, nhưng các nhà khoa học đặt tên cho nó -điểm kỳ dị .

Các lỗ đen quay làm biến dạng không gian xung quanh chúng khác với các lỗ đen đứng yên.

Quá trình biến dạng này được gọi là "sự cuốn theo khung quán tính" hay hiệu ứng Lense-Thirring, và nó ảnh hưởng đến hình dạng của lỗ đen bằng cách làm biến dạng không gian và quan trọng hơn là không-thời gian xung quanh nó. Lỗ đen bạn thấy trong phim là đủrất gần với khái niệm khoa học.

• Con tàu vũ trụ Endurance đang hướng tới Gargantua - hố đen siêu lớn hư cấu 100 triệu lần khối lượng Mặt Trời.
• Nó cách Trái đất 10 tỷ năm ánh sáng và có một số hành tinh quay quanh nó. Gargantua quay với tốc độ đáng kinh ngạc là 99,8% tốc độ ánh sáng.
• Đĩa bồi tụ của Garagantua chứa khí và bụi có nhiệt độ bằng bề mặt Mặt trời. Đĩa cung cấp ánh sáng và nhiệt cho các hành tinh Gargantua.

Sự xuất hiện phức tạp của lỗ đen trong phim là do hình ảnh của đĩa bồi tụ bị biến dạng bởi thấu kính hấp dẫn. Hai vòng cung xuất hiện trong hình ảnh: một vòng cung hình thành phía trên lỗ đen và vòng cung kia ở bên dưới lỗ đen.

lỗ sâu đục

wormhole hay wormhole được phi hành đoàn sử dụng trong Interstellar là một trong những hiện tượng trong phim được sự tồn tại của nó chưa được chứng minh. Đó là giả thuyết, nhưng rất thuận tiện trong cốt truyện của những câu chuyện khoa học viễn tưởng, nơi bạn cần phải vượt qua một khoảng cách không gian rộng lớn.

Chỉ là lỗ sâu đục là một loại con đường ngắn nhất trong không gian. Bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều tạo ra một lỗ trống trong không gian, nghĩa là không gian có thể bị kéo giãn, cong vênh và thậm chí bị gấp lại.

Lỗ sâu đục giống như một nếp gấp trong kết cấu không gian (và thời gian) kết nối hai vùng rất xa nhau, giúp ích cho các nhà du hành vũ trụ. đi một quãng đường dài trong một khoảng thời gian ngắn.

Tên chính thức của lỗ sâu đục là “cầu nối Einstein-Rosen”, do Albert Einstein và đồng nghiệp của ông là Nathan Rosen đề xuất lần đầu tiên vào năm 1935.

• Trong sơ đồ 2D, miệng lỗ sâu đục được biểu diễn dưới dạng hình tròn. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể nhìn thấy lỗ sâu đục, nó sẽ trông giống như một quả cầu.
• Trên bề mặt của quả cầu, có thể nhìn thấy được hình ảnh không gian bị biến dạng do lực hấp dẫn ở phía bên kia của “lỗ”.
• Kích thước của lỗ sâu trong phim: đường kính 2 km và khoảng cách truyền là 10 tỷ năm ánh sáng.

Sự giãn nở thời gian hấp dẫn

Sự giãn nở thời gian do hấp dẫn là một hiện tượng có thật được quan sát thấy trên Trái đất. Nó phát sinh bởi vì thời gian là tương đối. Điều này có nghĩa là nó chảy khác nhau đối với các hệ tọa độ khác nhau.

Khi bạn ở trong môi trường có lực hấp dẫn mạnh, thời gian trôi chậm hơn đối với bạn so với những người sống trong môi trường hấp dẫn yếu.

WORMHOLE - 1) vật lý thiên văn. Khái niệm quan trọng nhất của vật lý thiên văn hiện đại và vũ trụ học thực tế. “Lỗ sâu” hay “lỗ sâu” là một lối đi xuyên không gian nối lỗ đen và lỗ trắng tương ứng của nó.

Một lỗ sâu vật lý thiên văn xuyên qua không gian gấp theo các chiều bổ sung và cho phép người ta di chuyển dọc theo một con đường thực sự ngắn giữa các hệ sao.

Nghiên cứu sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble đã chỉ ra rằng mọi lỗ đen đều là lối vào lỗ sâu (xem LUẬT CỦA HUBBLE). Một trong những lỗ lớn nhất nằm ở trung tâm Thiên hà của chúng ta. Về mặt lý thuyết (1993) người ta đã chứng minh rằng chính từ lỗ trung tâm này mà Hệ Mặt trời đã hình thành.

Theo các khái niệm hiện đại, phần có thể quan sát được của Vũ trụ thực sự là đầy những “lỗ sâu” đang “qua lại”. Nhiều nhà vật lý thiên văn nổi tiếng tin rằng du hành qua “lỗ sâu đục” là tương lai của các nhà du hành vũ trụ giữa các vì sao. "

Tất cả chúng ta đều quen với việc không thể quay lại quá khứ, mặc dù đôi khi chúng ta thực sự muốn làm vậy. Trong hơn một thế kỷ, các nhà văn khoa học viễn tưởng đã mô tả nhiều loại sự cố khác nhau phát sinh do khả năng du hành xuyên thời gian và ảnh hưởng đến tiến trình lịch sử. Hơn nữa, chủ đề này trở nên cấp bách đến mức vào cuối thế kỷ trước, ngay cả những nhà vật lý xa lạ với truyện cổ tích cũng bắt đầu nghiêm túc tìm kiếm giải pháp cho các phương trình mô tả thế giới của chúng ta để có thể tạo ra cỗ máy thời gian và vượt qua mọi không gian. và thời gian trong chớp mắt.

Tiểu thuyết khoa học viễn tưởng mô tả toàn bộ mạng lưới giao thông kết nối các hệ sao và các thời đại lịch sử. Anh ta bước vào một gian hàng được cách điệu, chẳng hạn như một bốt điện thoại, và thấy mình đang ở đâu đó trong tinh vân Andromeda hoặc trên Trái đất, nhưng đang đến thăm loài khủng long bạo chúa đã tuyệt chủng từ lâu.

Các nhân vật trong những tác phẩm như vậy liên tục sử dụng cỗ máy thời gian vận chuyển vô giá trị, cổng thông tin và các thiết bị tiện lợi tương tự.

Tuy nhiên, những người hâm mộ khoa học viễn tưởng cảm nhận những cuộc hành trình như vậy mà không mấy lo lắng - bạn không bao giờ biết người ta có thể tưởng tượng điều gì, cho rằng việc thực hiện một ý tưởng là do một tương lai không chắc chắn hoặc do sự hiểu biết sâu sắc của một thiên tài vô danh. Điều có vẻ đáng ngạc nhiên hơn nhiều là các cỗ máy thời gian và đường hầm trong không gian khá nghiêm túc, theo giả thuyết có thể, được thảo luận tích cực trong các bài báo về vật lý lý thuyết, trên các trang của các ấn phẩm khoa học uy tín nhất.

Câu trả lời nằm ở chỗ, theo lý thuyết hấp dẫn của Einstein - lý thuyết tương đối rộng (GTR), không-thời gian bốn chiều nơi chúng ta đang sống bị cong, và lực hấp dẫn quen thuộc là biểu hiện của độ cong đó.

Vật chất “uốn cong”, bẻ cong không gian xung quanh nó, càng đặc thì độ cong càng mạnh.

Vô số lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn, lên tới hàng trăm, khác với GTR về chi tiết, nhưng vẫn giữ được điểm chính - ý tưởng về độ cong của không-thời gian. Và nếu không gian bị cong, thì tại sao nó không có hình dạng của một đường ống chẳng hạn, các vùng đoản mạch cách nhau hàng trăm nghìn năm ánh sáng, hay nói cách khác là các thời đại cách xa nhau - xét cho cùng, chúng ta đang nói không chỉ về không gian mà còn về không-thời gian?

Hãy nhớ rằng, từ Strugatskys (nhân tiện, họ cũng đã sử dụng phương tiện di chuyển bằng 0): “Tôi không hiểu tại sao giới quý tộc lại không…” - à, giả sử, đừng bay đến ngày 32 thế kỷ?...

Lỗ giun hay lỗ đen?

Những suy nghĩ về độ cong mạnh như vậy của không-thời gian của chúng ta nảy sinh ngay sau khi Thuyết tương đối rộng xuất hiện - vào năm 1916, nhà vật lý người Áo L. Flamm đã thảo luận về khả năng tồn tại của hình học không gian dưới dạng một loại lỗ nối hai thế giới . Năm 1935, A. Einstein và nhà toán học N. Rosen đã chú ý đến thực tế là các nghiệm đơn giản nhất của phương trình thuyết tương đối tổng quát, mô tả các nguồn cô lập, trung tính hoặc tích điện của trường hấp dẫn, có cấu trúc không gian của một “cây cầu”, gần như kết nối trơn tru hai vũ trụ - hai không-thời gian giống hệt nhau, gần như phẳng.

Loại cấu trúc không gian này sau đó được gọi là “lỗ sâu” (một cách dịch khá lỏng lẻo của từ “lỗ sâu” trong tiếng Anh).

Einstein và Rosen thậm chí còn xem xét khả năng sử dụng những “cầu nối” như vậy để mô tả các hạt cơ bản. Trên thực tế, hạt trong trường hợp này là một sự hình thành không gian thuần túy, do đó không cần phải mô hình hóa đặc biệt nguồn khối lượng hoặc điện tích, và với kích thước vi mô của lỗ sâu đục, một nhà quan sát từ xa, bên ngoài nằm ở một trong các không gian sẽ nhìn thấy chỉ là một nguồn điểm có khối lượng và điện tích nhất định.

Các đường sức điện đi vào lỗ từ một phía và thoát ra từ phía kia, không bắt đầu hay kết thúc ở bất cứ đâu.

Theo lời của nhà vật lý người Mỹ J. Wheeler, kết quả là “khối lượng không có khối lượng, điện tích không có điện tích”. Và trong trường hợp này, không cần thiết phải giả định rằng cây cầu kết nối hai vũ trụ khác nhau - không tệ hơn khi giả định rằng cả hai “miệng” của lỗ sâu đục đều đi vào cùng một vũ trụ, nhưng ở những điểm khác nhau và ở những thời điểm khác nhau - thứ gì đó giống như một “tay cầm” rỗng được khâu vào thế giới gần như phẳng, quen thuộc.

Một miệng, nơi các đường sức đi vào, có thể được coi là điện tích âm (ví dụ như electron), miệng còn lại, nơi chúng thoát ra, là điện tích dương (positron), và khối lượng ở cả hai sẽ giống nhau các bên.

Bất chấp sự hấp dẫn của bức tranh như vậy, nó (vì nhiều lý do) không bắt nguồn từ vật lý hạt cơ bản. Thật khó để gán các đặc tính lượng tử cho các “cầu nối” Einstein-Rosen, và nếu không có chúng thì chẳng có tác dụng gì trong thế giới vi mô.

Đối với các giá trị đã biết về khối lượng và điện tích của các hạt (electron hoặc proton), cầu Einstein-Rosen hoàn toàn không hình thành; thay vào đó, nghiệm “điện” dự đoán cái gọi là điểm kỳ dị “trần” - điểm mà tại đó độ cong của không gian và điện trường trở nên vô hạn. Khái niệm không-thời gian, ngay cả khi bị cong, cũng mất ý nghĩa ở những điểm như vậy, vì không thể giải các phương trình với số hạng vô hạn. Bản thân thuyết tương đối rộng đã nêu khá rõ ràng chính xác nó ngừng hoạt động ở đâu. Chúng ta hãy nhớ lại câu nói trên: “kết nối một cách gần như suôn sẻ…”. Điều “gần như” này đề cập đến nhược điểm chính của “những cây cầu” Einstein-Rosen - sự vi phạm độ êm ái ở nơi hẹp nhất của “cây cầu”, ở cổ.

Và phải nói rằng sự vi phạm này là rất không hề nhỏ: ở cái cổ như vậy, từ góc nhìn của một người quan sát từ xa, thời gian dừng lại...

Theo các khái niệm hiện đại, cái mà Einstein và Rosen coi là cổ (tức là điểm hẹp nhất của “cây cầu”) trên thực tế không gì khác hơn là chân trời sự kiện của một lỗ đen (trung tính hoặc tích điện).

Hơn nữa, từ các phía khác nhau của các hạt hoặc tia “cầu” rơi vào các “phần” khác nhau của đường chân trời, và giữa, nói một cách tương đối, phần bên phải và bên trái của đường chân trời có một vùng không tĩnh đặc biệt, không vượt qua nó. không thể lọt qua lỗ được.

Đối với một người quan sát từ xa, một con tàu vũ trụ tiếp cận đường chân trời của một lỗ đen đủ lớn (so với con tàu) dường như đóng băng vĩnh viễn và các tín hiệu từ nó đến ngày càng ít thường xuyên hơn. Ngược lại, theo đồng hồ của con tàu, đường chân trời đạt tới trong một thời gian hữu hạn.

Sau khi đi qua đường chân trời, con tàu (hạt hoặc tia sáng) chắc chắn sẽ sớm gặp phải một điểm kỳ dị - nơi độ cong trở nên vô hạn và ở đó (vẫn đang trên đường đi) bất kỳ vật thể mở rộng nào chắc chắn sẽ bị nghiền nát và xé nát.

Đây là thực tế khắc nghiệt về hoạt động bên trong của lỗ đen. Lời giải của Schwarzschild và Reisner-Nordström, mô tả các lỗ đen trung tính và tích điện đối xứng hình cầu, thu được vào năm 1916-1917, nhưng các nhà vật lý chỉ hiểu đầy đủ về hình học phức tạp của những không gian này vào đầu những năm 1950-1960. Nhân tiện, chính lúc đó John Archibald Wheeler, người nổi tiếng với công trình nghiên cứu về vật lý hạt nhân và lý thuyết về lực hấp dẫn, đã đề xuất thuật ngữ “lỗ đen” và “lỗ sâu”.

Hóa ra, thực sự có những lỗ sâu đục trong không gian Schwarzschild và Reisner-Nordström. Từ quan điểm của một người quan sát ở xa, chúng không thể nhìn thấy được hoàn toàn, giống như bản thân các lỗ đen, và chúng cũng tồn tại vĩnh cửu. Nhưng đối với một du khách dám vượt ra ngoài đường chân trời, cái hố sẽ sụp đổ nhanh đến mức không một con tàu, một hạt khối lượng lớn hay thậm chí một tia sáng nào có thể bay qua nó.

Để vượt qua điểm kỳ dị và đột phá “đến với ánh sáng của Chúa” - đến miệng hố bên kia, cần phải di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Và các nhà vật lý ngày nay tin rằng về nguyên tắc, tốc độ chuyển động siêu âm của vật chất và năng lượng là không thể.

Lỗ sâu đục và vòng lặp thời gian

Vì vậy, lỗ đen Schwarzschild có thể được coi là một lỗ sâu đục không thể xuyên thủng. Lỗ đen Reisner-Nordström phức tạp hơn nhưng cũng không thể vượt qua được.

Tuy nhiên, không quá khó để phát minh và mô tả các lỗ sâu đục bốn chiều có thể đi qua bằng cách chọn loại số liệu mong muốn (một số liệu hoặc tenxơ số liệu, là một tập hợp các đại lượng với sự trợ giúp của khoảng cách bốn chiều giữa các điểm- các sự kiện được tính toán, mô tả đầy đủ hình dạng của không-thời gian và trường hấp dẫn). Nói chung, các lỗ sâu đục có thể vượt qua thậm chí còn đơn giản hơn về mặt hình học so với các lỗ đen: không nên có bất kỳ chân trời nào dẫn đến thảm họa theo thời gian.

Tất nhiên, thời gian tại những điểm khác nhau có thể di chuyển với tốc độ khác nhau - nhưng nó không nên tăng tốc hoặc dừng lại liên tục.

Phải nói rằng các lỗ đen và lỗ sâu khác nhau là những vật thể vi mô rất thú vị tự phát sinh, giống như sự thăng giáng lượng tử của trường hấp dẫn (ở độ dài khoảng 10-33 cm), trong đó, theo ước tính hiện có, khái niệm của không-thời gian trơn tru, cổ điển không còn áp dụng được nữa.

Ở quy mô như vậy, phải có thứ gì đó tương tự như nước hoặc bọt xà phòng trong dòng chảy hỗn loạn, liên tục “thở” do sự hình thành và xẹp xuống của các bong bóng nhỏ. Thay vì không gian trống rỗng yên tĩnh, chúng ta có những lỗ đen mini và lỗ sâu với những cấu hình kỳ quái và đan xen nhất xuất hiện và biến mất với tốc độ điên cuồng. Kích thước của chúng nhỏ đến mức không thể tưởng tượng được - chúng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử gấp nhiều lần cũng như hạt nhân này nhỏ hơn hành tinh Trái đất rất nhiều lần. Vẫn chưa có mô tả chính xác về bọt không-thời gian, vì lý thuyết lượng tử nhất quán về lực hấp dẫn vẫn chưa được tạo ra, nhưng nói chung, bức tranh được mô tả tuân theo các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết vật lý và khó có thể thay đổi.

Tuy nhiên, từ quan điểm du hành giữa các vì sao và liên thời gian, cần có các lỗ sâu có kích thước hoàn toàn khác nhau: “Tôi muốn” để một con tàu vũ trụ có kích thước hợp lý hoặc ít nhất là một chiếc xe tăng đi qua cổ mà không bị hư hại (nếu không có nó thì sẽ không thể). không thoải mái với lũ tyrannosaur, phải không?).

Do đó, trước tiên chúng ta cần thu được nghiệm của các phương trình hấp dẫn dưới dạng các lỗ sâu đục có kích thước vĩ mô có thể đi qua được. Và nếu chúng ta cho rằng một lỗ như vậy đã xuất hiện và phần còn lại của không-thời gian vẫn gần như phẳng, thì hãy xem xét, mọi thứ đều ở đó - lỗ có thể là một cỗ máy thời gian, một đường hầm giữa các thiên hà và thậm chí cả một máy gia tốc.

Bất kể một trong các miệng của lỗ sâu nằm ở đâu và khi nào, miệng thứ hai có thể xuất hiện ở bất cứ đâu trong không gian và bất cứ lúc nào - trong quá khứ hoặc trong tương lai.

Ngoài ra, miệng có thể di chuyển ở bất kỳ tốc độ nào (trong tốc độ ánh sáng) so với các vật thể xung quanh - điều này sẽ không cản trở việc thoát ra khỏi lỗ vào không gian Minkowski (gần như) phẳng.

Nó được biết là có tính đối xứng khác thường và trông giống nhau ở mọi điểm của nó, theo mọi hướng và trong bất kỳ hệ quán tính nào, bất kể chúng chuyển động ở tốc độ nào.

Nhưng mặt khác, khi cho rằng có sự tồn tại của cỗ máy thời gian, chúng ta ngay lập tức phải đối mặt với cả một “bó hoa” nghịch lý như - bay về quá khứ và “giết ông nội bằng xẻng” trước khi ông nội kịp trở thành cha. Ý thức chung thông thường cho rằng điều này rất có thể không thể xảy ra. Và nếu một lý thuyết vật lý tuyên bố mô tả được thực tế thì nó phải chứa một cơ chế ngăn cấm việc hình thành những “vòng thời gian” như vậy, hoặc ít nhất là làm cho việc hình thành chúng trở nên cực kỳ khó khăn.

Không nghi ngờ gì nữa, GTR tuyên bố mô tả thực tế. Nó đã tìm ra nhiều giải pháp mô tả không gian với các vòng thời gian khép kín, nhưng theo quy luật, vì lý do này hay lý do khác, chúng được coi là không thực tế hoặc có thể nói là “vô hại”.

Do đó, một lời giải rất thú vị cho các phương trình Einstein đã được nhà toán học người Áo K. Gödel chỉ ra: đây là một vũ trụ đứng yên đồng nhất, quay tổng thể. Nó chứa những quỹ đạo khép kín, di chuyển dọc theo đó bạn không chỉ có thể quay lại điểm bắt đầu trong không gian mà còn quay lại điểm bắt đầu trong thời gian. Tuy nhiên, các tính toán cho thấy khoảng thời gian tối thiểu của một vòng lặp như vậy lớn hơn nhiều so với sự tồn tại của Vũ trụ.

Các lỗ sâu có thể đi qua được, được coi là “cầu nối” giữa các vũ trụ khác nhau, chỉ mang tính tạm thời (như chúng ta đã nói) để cho rằng cả hai miệng đều mở vào cùng một vũ trụ, khi các vòng lặp xuất hiện ngay lập tức. Vậy thì điều gì, theo quan điểm của thuyết tương đối rộng, ngăn cản sự hình thành của chúng - ít nhất là ở quy mô vĩ mô và vũ trụ?

Câu trả lời rất đơn giản: cấu trúc của phương trình Einstein. Ở phía bên trái của chúng có các đại lượng đặc trưng cho hình học không-thời gian, và ở phía bên phải có cái gọi là tensor năng lượng-động lượng, chứa thông tin về mật độ năng lượng của vật chất và các trường khác nhau, về áp suất của chúng theo các hướng khác nhau, về sự phân bố của chúng trong không gian và về trạng thái chuyển động.

Người ta có thể “đọc” các phương trình của Einstein từ phải sang trái, nói rằng với sự trợ giúp của chúng, vật chất “cho” không gian biết uốn cong như thế nào. Nhưng điều đó cũng có thể xảy ra - từ trái sang phải, khi đó cách giải thích sẽ khác: hình học quy định các tính chất của vật chất có thể cung cấp cho nó, hình học, sự tồn tại.

Vì vậy, nếu chúng ta cần hình dạng của lỗ sâu đục, hãy thay nó vào các phương trình của Einstein, phân tích nó và tìm ra loại vật chất cần thiết. Hóa ra nó rất lạ và chưa từng có; nó được gọi là “vật chất lạ”. Vì vậy, để tạo ra lỗ sâu đục đơn giản nhất (đối xứng hình cầu), mật độ năng lượng và áp suất theo hướng xuyên tâm cần phải cộng lại bằng một giá trị âm. Tôi có cần nói rằng đối với các loại vật chất thông thường (cũng như nhiều trường vật lý đã biết) cả hai đại lượng này đều dương không?..

Thiên nhiên, như chúng ta thấy, quả thực đã đặt ra một rào cản nghiêm trọng đối với sự xuất hiện của lỗ sâu đục. Nhưng con người là vậy, và các nhà khoa học cũng không ngoại lệ: nếu rào cản tồn tại thì sẽ luôn có người muốn vượt qua nó...

Công việc của các nhà lý thuyết quan tâm đến lỗ sâu đục có thể được chia thành hai hướng bổ sung cho nhau. Đầu tiên, giả sử sự tồn tại của lỗ sâu, xem xét các hậu quả dẫn đến, thứ hai cố gắng xác định cách thức và từ những gì lỗ sâu có thể được tạo ra, chúng xuất hiện hoặc có thể xuất hiện trong những điều kiện nào.

Ví dụ, trong các tác phẩm của hướng đầu tiên, câu hỏi như vậy đã được thảo luận.

Giả sử chúng ta có sẵn một lỗ sâu đục mà chúng ta có thể đi qua trong vài giây và để hai miệng hình phễu “A” và “B” của nó nằm gần nhau trong không gian. Có thể biến một cái lỗ như vậy thành một cỗ máy thời gian?

Nhà vật lý người Mỹ Kip Thorne và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra cách thực hiện điều này: ý tưởng là giữ nguyên một trong các miệng, “A,” và miệng còn lại, “B” (có hành vi giống như một vật thể to lớn bình thường), tăng tốc đến tốc độ tương đương với tốc độ ánh sáng, sau đó quay trở lại và giảm dần đến cạnh “A”. Sau đó, do hiệu ứng STR (thời gian của một vật chuyển động chậm lại so với một vật đứng yên), thời gian trôi qua của miệng “B” sẽ ít hơn so với miệng “A”. Hơn nữa, tốc độ và thời gian di chuyển của miệng “B” càng lớn thì chênh lệch thời gian giữa chúng càng lớn.

Trên thực tế, đây cũng là một “nghịch lý song sinh” được các nhà khoa học biết đến: một cặp song sinh trở về sau chuyến bay tới các vì sao hóa ra lại trẻ hơn người anh em ở nhà của mình... Hãy để sự khác biệt về thời gian giữa hai người. ví dụ như miệng là sáu tháng.

Sau đó, ngồi gần miệng chữ “A” vào giữa mùa đông, qua lỗ sâu đục, chúng ta sẽ nhìn thấy bức tranh tươi sáng của mùa hè vừa qua qua lỗ sâu đục và - trên thực tế, chúng ta sẽ quay trở lại mùa hè này, đi thẳng qua lỗ sâu đục. Sau đó, chúng ta sẽ lại tiếp cận phễu “A” (như chúng ta đã đồng ý, nó ở đâu đó gần đó), lại lặn xuống hố và nhảy thẳng vào lớp tuyết năm ngoái. Và cứ thế bao nhiêu lần tùy thích. Đi theo hướng ngược lại - đi sâu vào kênh “B” - hãy nhảy tới tương lai sáu tháng...

Do đó, sau khi thực hiện một thao tác duy nhất với một trong các miệng, chúng ta sẽ có được một cỗ máy thời gian có thể được “sử dụng” liên tục (tất nhiên, giả sử rằng lỗ đó ổn định hoặc chúng ta có thể duy trì “khả năng hoạt động” của nó).

Các tác phẩm của hướng thứ hai nhiều hơn và có lẽ còn thú vị hơn. Hướng này bao gồm việc tìm kiếm các mô hình lỗ sâu cụ thể và nghiên cứu các đặc tính cụ thể của chúng, nói chung, xác định những gì có thể được thực hiện với các lỗ sâu này và cách sử dụng chúng.

Exomatter và năng lượng tối

Hóa ra, những đặc tính kỳ lạ của vật chất mà vật liệu xây dựng lỗ sâu phải có, có thể được hiện thực hóa thông qua cái gọi là sự phân cực chân không của trường lượng tử.

Kết luận này gần đây đã được các nhà vật lý người Nga Arkady Popov và Sergei Sushkov đến từ Kazan (cùng với David Hochberg đến từ Tây Ban Nha) và Sergei Krasnikov từ Đài thiên văn Pulkovo đưa ra. Và trong trường hợp này, chân không hoàn toàn không phải là sự trống rỗng mà là trạng thái lượng tử có năng lượng thấp nhất - một trường không có hạt thực. Các cặp hạt “ảo” liên tục xuất hiện trong đó, chúng lại biến mất trước khi chúng có thể được các thiết bị phát hiện, nhưng để lại dấu vết rất thật của chúng dưới dạng một tensor năng lượng-động lượng nào đó với những đặc tính khác thường.

Và mặc dù các đặc tính lượng tử của vật chất biểu hiện chủ yếu ở vi mô, nhưng các lỗ sâu mà chúng tạo ra (trong những điều kiện nhất định) có thể đạt kích thước rất tốt. Nhân tiện, một trong những bài báo của S. Krasnikov có tiêu đề “đáng sợ” - “Mối đe dọa của hố sâu”. Điều thú vị nhất trong cuộc thảo luận thuần túy lý thuyết này là các quan sát thiên văn thực tế trong những năm gần đây dường như đã làm suy yếu đáng kể quan điểm của những người phản đối khả năng tồn tại của lỗ sâu đục.

Các nhà vật lý thiên văn, nghiên cứu số liệu thống kê về các vụ nổ siêu tân tinh ở các thiên hà cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng, đã kết luận rằng Vũ trụ của chúng ta không chỉ đang giãn nở mà còn đang phân tán với tốc độ ngày càng tăng, tức là với gia tốc. Hơn nữa, theo thời gian, khả năng tăng tốc này thậm chí còn tăng lên. Điều này được xác nhận khá tự tin bởi những quan sát mới nhất được thực hiện trên các kính viễn vọng không gian mới nhất. Chà, bây giờ là lúc để nhớ lại mối liên hệ giữa vật chất và hình học trong Thuyết Tương đối rộng: bản chất của sự giãn nở của Vũ trụ có mối liên hệ chặt chẽ với phương trình trạng thái của vật chất, hay nói cách khác, với mối quan hệ giữa mật độ và áp suất của nó. Nếu vật chất là bình thường (có mật độ và áp suất dương), thì mật độ của nó giảm theo thời gian và sự giãn nở chậm lại.

Nếu áp suất âm và có độ lớn bằng nhau, nhưng ngược dấu với mật độ năng lượng (khi đó tổng của chúng = 0), thì mật độ này không đổi theo thời gian và không gian - đây được gọi là hằng số vũ trụ, dẫn đến sự giãn nở với gia tốc không đổi.

Nhưng để gia tốc tăng theo thời gian, và điều này là chưa đủ, tổng áp suất và mật độ năng lượng phải âm. Chưa ai từng quan sát thấy vật chất như vậy, nhưng hành vi của phần nhìn thấy được của Vũ trụ dường như báo hiệu sự hiện diện của nó. Các tính toán cho thấy loại vật chất kỳ lạ, vô hình (được gọi là “năng lượng tối”) ở thời đại hiện nay phải vào khoảng 70% và tỷ lệ này không ngừng tăng lên (không giống như vật chất thông thường, mất mật độ khi khối lượng ngày càng tăng, năng lượng tối hành xử nghịch lý - Vũ trụ đang mở rộng và mật độ của nó ngày càng tăng). Nhưng (và chúng ta đã nói về điều này) chính loại vật chất kỳ lạ này mới là “vật liệu xây dựng” phù hợp nhất cho sự hình thành lỗ sâu đục.

Thật thú vị khi tưởng tượng: sớm hay muộn năng lượng tối sẽ được phát hiện, các nhà khoa học và công nghệ sẽ học cách ngưng tụ nó và xây dựng các lỗ sâu, và rồi không lâu nữa “giấc mơ sẽ thành hiện thực” - về cỗ máy thời gian và đường hầm dẫn đến các vì sao ...

Đúng vậy, ước tính về mật độ năng lượng tối trong Vũ trụ, đảm bảo cho sự giãn nở tăng tốc của nó, có phần đáng nản lòng: nếu năng lượng tối được phân bổ đều, thì kết quả là một giá trị hoàn toàn không đáng kể - khoảng 10-29 g/cm3. Đối với một chất thông thường, mật độ này tương ứng với 10 nguyên tử hydro trên 1 m3. Ngay cả khí giữa các vì sao cũng đậm đặc hơn nhiều lần. Vì vậy, nếu con đường tạo ra cỗ máy thời gian này có thể trở thành hiện thực thì sẽ không sớm đâu.

Cần một lỗ bánh rán

Cho đến nay chúng ta đã nói về lỗ sâu đục hình đường hầm với phần cổ nhẵn. Nhưng GTR còn dự đoán một loại lỗ sâu đục khác - và về nguyên tắc, chúng không yêu cầu bất kỳ vật chất phân bố nào cả. Có cả một lớp nghiệm cho các phương trình Einstein, trong đó không-thời gian bốn chiều, phẳng cách xa nguồn trường, tồn tại như thể ở dạng hai bản sao (hoặc tờ giấy), và điểm chung duy nhất của cả hai chúng là một dạng nhất định. vòng mỏng (nguồn trường) và một đĩa, vòng này bị hạn chế.

Chiếc nhẫn này có một đặc tính thực sự kỳ diệu: bạn có thể “đi lang thang” xung quanh nó bao lâu tùy thích, ở trong thế giới “của bạn”, nhưng nếu đi xuyên qua nó, bạn sẽ thấy mình ở một thế giới hoàn toàn khác, mặc dù tương tự như “ của bạn.” Và để quay trở lại, bạn cần phải đi qua võ đài một lần nữa (và từ bất kỳ phía nào, không nhất thiết phải từ phía mà bạn vừa rời đi).

Bản thân chiếc nhẫn là số ít - độ cong của không-thời gian trên nó tiến đến vô cùng, nhưng tất cả các điểm bên trong nó là hoàn toàn bình thường và một vật thể chuyển động ở đó không gặp phải bất kỳ tác động thảm khốc nào.

Điều thú vị là có rất nhiều giải pháp như vậy - cả trung tính, có điện tích, có quay và không có điện tích. Đặc biệt, đây là nghiệm nổi tiếng của R. Kerr người New Zealand cho một lỗ đen quay. Nó mô tả một cách thực tế nhất các lỗ đen ở quy mô sao và thiên hà (sự tồn tại của chúng mà hầu hết các nhà vật lý thiên văn không còn nghi ngờ nữa), vì hầu hết tất cả các thiên thể đều trải qua quá trình quay và trong quá trình nén, chuyển động quay chỉ tăng tốc, đặc biệt là khi sụp đổ thành lỗ đen.

Vậy hóa ra chính lỗ đen quay là ứng cử viên “trực tiếp” cho “cỗ máy thời gian”? Tuy nhiên, các lỗ đen hình thành trong các hệ sao được bao quanh và chứa đầy khí nóng cùng bức xạ khắc nghiệt, chết người. Ngoài sự phản đối thuần túy thực tế này, còn có một phản đối cơ bản liên quan đến những khó khăn khi di chuyển từ dưới chân trời sự kiện sang một “tấm” không-thời gian mới. Nhưng điều này không đáng để nghiên cứu chi tiết hơn, vì theo thuyết tương đối rộng và nhiều khái quát hóa của nó, các lỗ sâu đục với các vòng kỳ dị có thể tồn tại mà không có bất kỳ chân trời nào.

Vì vậy, có ít nhất hai khả năng lý thuyết về sự tồn tại của các lỗ sâu kết nối các thế giới khác nhau: các lỗ sâu có thể nhẵn và được cấu tạo từ vật chất lạ, hoặc chúng có thể phát sinh do một điểm kỳ dị trong khi vẫn có thể đi qua được.

Không gian và dây

Các vòng đơn mỏng gợi nhớ đến những vật thể bất thường khác được vật lý hiện đại dự đoán - các dây vũ trụ, được hình thành (theo một số lý thuyết) trong Vũ trụ sơ khai khi vật chất siêu đặc nguội đi và thay đổi trạng thái.

Chúng thực sự giống những sợi dây, chỉ nặng bất thường - dài hàng tỷ tấn trên mỗi centimet với độ dày chỉ bằng một phần micron. Và, như Richard Gott người Mỹ và Gerard Clement người Pháp đã chỉ ra, từ một số dây chuyển động tương đối với nhau ở tốc độ cao, có thể tạo ra các cấu trúc chứa các vòng lặp tạm thời. Nghĩa là, bằng cách di chuyển theo một cách nhất định trong trường hấp dẫn của các dây này, bạn có thể quay lại điểm xuất phát trước khi rời khỏi nó.

Các nhà thiên văn học đã tìm kiếm loại vật thể không gian này trong một thời gian dài và ngày nay đã có một ứng cử viên “tốt” - vật thể CSL-1. Đây là hai thiên hà giống nhau một cách đáng ngạc nhiên, trong thực tế có lẽ là một, chỉ bị phân nhánh do hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Hơn nữa, trong trường hợp này, thấu kính hấp dẫn không phải hình cầu mà có hình trụ, giống như một sợi dây dài mỏng, nặng.

Liệu chiều thứ năm có giúp ích được không?

Trong trường hợp không-thời gian chứa nhiều hơn bốn chiều, kiến ​​trúc của lỗ sâu có được những khả năng mới mà trước đây chưa từng được biết đến.

Vì vậy, trong những năm gần đây khái niệm “thế giới màng” đã trở nên phổ biến. Nó giả định rằng tất cả vật chất có thể quan sát được đều nằm trên một bề mặt bốn chiều nào đó (ký hiệu bằng thuật ngữ “brane” - một từ rút gọn của “membrane”), và trong thể tích năm hoặc sáu chiều xung quanh không có gì ngoại trừ trường hấp dẫn. Trường hấp dẫn trên bản thân màng (và đây là trường duy nhất chúng ta quan sát được) tuân theo các phương trình Einstein đã được sửa đổi, và chúng có sự đóng góp từ hình học của thể tích xung quanh.

Vì vậy, sự đóng góp này có thể đóng vai trò là vật chất lạ tạo ra lỗ sâu đục. Hang có thể có kích thước bất kỳ, đồng thời không có trọng lực riêng.

Tất nhiên, điều này không làm cạn kiệt tất cả các “thiết kế” đa dạng của lỗ sâu, và kết luận chung là bất chấp tất cả những đặc tính khác thường của chúng và bất chấp mọi khó khăn về bản chất cơ bản, bao gồm cả triết học, mà chúng có thể dẫn tới, sự tồn tại có thể có của chúng đáng được xem xét một cách hoàn toàn nghiêm túc và quan tâm đúng mức.

Ví dụ, không thể loại trừ rằng các lỗ lớn tồn tại trong không gian giữa các vì sao hoặc giữa các thiên hà, nếu chỉ vì sự tập trung của năng lượng rất tối đó làm tăng tốc độ giãn nở của Vũ trụ.

Không có câu trả lời rõ ràng cho các câu hỏi - chúng trông như thế nào đối với người quan sát trên trái đất và liệu có cách nào để phát hiện ra chúng hay không. Không giống như lỗ đen, lỗ sâu đục thậm chí có thể không có bất kỳ trường hấp dẫn đáng chú ý nào (cũng có thể có lực đẩy), và do đó, người ta không nên mong đợi sự tập trung đáng chú ý của các ngôi sao hoặc khí và bụi giữa các vì sao trong vùng lân cận của chúng.

Nhưng giả sử rằng chúng có thể “đoản mạch” các vùng hoặc kỷ nguyên cách xa nhau, truyền bức xạ của các ngôi sao sáng qua chúng, thì hoàn toàn có thể hy vọng rằng một thiên hà xa xôi nào đó sẽ có vẻ gần nhau một cách bất thường.

Do sự giãn nở của Vũ trụ, thiên hà càng ở xa thì sự dịch chuyển quang phổ (về phía màu đỏ) bức xạ của nó đến với chúng ta càng lớn. Nhưng khi nhìn qua lỗ sâu đục, có thể không có dịch chuyển đỏ. Hoặc nó sẽ như vậy, nhưng cái gì khác. Một số vật thể như vậy có thể được quan sát đồng thời theo hai cách - qua lỗ hoặc theo cách “thông thường”, “qua lỗ”.

Do đó, dấu hiệu của lỗ sâu vũ trụ có thể như sau: sự quan sát hai vật thể có những đặc tính rất giống nhau, nhưng ở những khoảng cách biểu kiến ​​khác nhau và ở những độ dịch chuyển đỏ khác nhau.

Tuy nhiên, nếu lỗ sâu đục được phát hiện (hoặc được xây dựng), lĩnh vực triết học liên quan đến việc giải thích khoa học sẽ phải đối mặt với những nhiệm vụ mới và phải nói là rất khó khăn. Và đối với tất cả sự vô lý của các vòng lặp thời gian và sự phức tạp của các vấn đề liên quan đến quan hệ nhân quả, lĩnh vực khoa học này, rất có thể, bằng cách nào đó sớm hay muộn sẽ giải quyết được tất cả. Giống như tôi đã từng “đối phó” với những vấn đề về khái niệm của cơ học lượng tử và thuyết tương đối của Einstein…

Kirill Bronnikov, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học

21:11 09/11/2018

👁 1 719

Văn bản này đại diện cho phiên bản thứ ba của cuốn sách của tôi về lỗ sâu đục và. Tôi đã cố gắng làm cho nó dễ hiểu đối với nhiều độc giả nhất có thể. Việc hiểu tài liệu không đòi hỏi bất kỳ sự giáo dục đặc biệt nào từ người đọc; những ý tưởng tổng quát nhất từ ​​một khóa học ở trường trung học và sự tò mò về nhận thức là đủ. Văn bản không chứa công thức và không chứa các khái niệm phức tạp. Để làm cho mọi thứ dễ hiểu hơn, tôi đã cố gắng sử dụng các hình ảnh minh họa giải thích nếu có thể. Phiên bản này đã được bổ sung thêm các phần và hình ảnh minh họa mới. Việc sửa chữa, làm rõ và làm rõ văn bản cũng được thực hiện. Nếu bất kỳ phần nào của cuốn sách có vẻ nhàm chán hoặc khó hiểu đối với người đọc thì có thể bỏ qua phần đó trong khi đọc mà không ảnh hưởng nhiều đến khả năng hiểu.

Cái thường được gọi là “Wormhole” trong vật lý thiên văn

Trong những năm gần đây, nhiều báo cáo đã xuất hiện trên các phương tiện truyền thông về việc các nhà khoa học phát hiện ra một số vật thể giả định được gọi là “lỗ sâu”. Hơn nữa, thậm chí còn có những báo cáo lố bịch về việc quan sát phát hiện những vật thể như vậy. Tôi thậm chí còn đọc trên các tờ báo lá cải về công dụng thực tế của một số “lỗ sâu” nhất định. Thật không may, hầu hết các báo cáo này đều khác xa sự thật; hơn nữa, ngay cả khái niệm về những “lỗ sâu” như vậy cũng thường không có điểm chung nào với cái thường được gọi là “lỗ sâu” trong vật lý thiên văn.

Tất cả những điều này đã thôi thúc tôi viết một bài trình bày phổ biến (và đồng thời cũng đáng tin cậy) về lý thuyết “lỗ sâu” trong vật lý thiên văn. Nhưng điều đầu tiên trước tiên.

Đầu tiên một chút lịch sử:

Lý thuyết lỗ sâu dựa trên cơ sở khoa học bắt nguồn từ vật lý thiên văn vào năm 1935 với công trình tiên phong của Einstein và Rosen. Nhưng trong tác phẩm tiên phong đó, “lỗ sâu” được các tác giả gọi là “cầu nối” giữa các phần khác nhau của Vũ trụ (thuật ngữ tiếng Anh là “cầu nối”). Trong một thời gian dài, công trình này không khơi dậy được nhiều sự quan tâm của các nhà vật lý thiên văn.

Nhưng vào những năm 90 của thế kỷ trước, sự quan tâm đến những đồ vật như vậy bắt đầu quay trở lại. Trước hết, sự quan tâm trở lại có liên quan đến một khám phá về vũ trụ học, nhưng tôi sẽ cho bạn biết lý do và mối liên hệ là gì sau đó.

Thuật ngữ tiếng Anh bắt nguồn từ “lỗ sâu” từ những năm 90 đã trở thành “lỗ sâu”, nhưng người đầu tiên đề xuất thuật ngữ này vào năm 1957 là các nhà vật lý thiên văn người Mỹ Mizner và Wheeler (đây cũng chính là Wheeler, người được coi là “cha đẻ”). ”của bom hydro của Mỹ). “Lỗ sâu” được dịch sang tiếng Nga là “lỗ sâu”. Nhiều nhà vật lý thiên văn nói tiếng Nga không thích thuật ngữ này, và vào năm 2004, người ta quyết định tổ chức bỏ phiếu về nhiều thuật ngữ được đề xuất cho những vật thể đó. Trong số các thuật ngữ được đề xuất có: “lỗ sâu”, “lỗ sâu”, “lỗ sâu”, “cầu”, “lỗ sâu”, “đường hầm”, v.v. Các nhà vật lý thiên văn nói tiếng Nga có ấn phẩm khoa học về chủ đề này (bao gồm cả tôi) đã tham gia bỏ phiếu. Kết quả của cuộc bỏ phiếu này là thuật ngữ “wormhole” đã thắng, và từ nay trở đi tôi sẽ viết thuật ngữ này mà không có dấu ngoặc kép.

1. Vậy cái gì thường được gọi là lỗ sâu đục?

Trong vật lý thiên văn, lỗ sâu đục có một định nghĩa toán học rõ ràng, nhưng ở đây (do tính phức tạp của nó) tôi sẽ không đưa ra định nghĩa đó, và đối với những người đọc chưa chuẩn bị trước, tôi sẽ cố gắng đưa ra định nghĩa bằng những từ ngữ đơn giản.

Bạn có thể đưa ra những định nghĩa khác nhau về lỗ sâu đục, nhưng điểm chung của tất cả các định nghĩa là đặc tính mà lỗ sâu đục phải kết nối hai vùng không gian không cong. Điểm nối được gọi là lỗ sâu đục và phần trung tâm của nó được gọi là cổ lỗ sâu đục. Không gian gần cổ lỗ sâu đục bị cong khá mạnh. Các khái niệm “không cong” hoặc “cong” cần được giải thích chi tiết ở đây. Nhưng tôi sẽ không giải thích điều này bây giờ và tôi yêu cầu người đọc hãy kiên nhẫn cho đến phần tiếp theo, trong đó tôi sẽ giải thích bản chất của những khái niệm này.

Một lỗ sâu đục có thể kết nối hai vũ trụ khác nhau hoặc cùng một vũ trụ ở những phần khác nhau. Trong trường hợp sau, khoảng cách xuyên qua lỗ sâu đục (giữa các lối vào của nó) có thể ngắn hơn khoảng cách giữa các lối vào được đo từ bên ngoài (mặc dù điều này hoàn toàn không cần thiết).

Hơn nữa, tôi sẽ dùng từ “vũ trụ” (có chữ nhỏ) để chỉ phần không-thời gian bị giới hạn bởi lối vào của lỗ sâu và lỗ đen, và từ “Vũ trụ” (có chữ in hoa) sẽ có nghĩa là tất cả không-thời gian, không có gì bị giới hạn.

Nói một cách chính xác, các khái niệm về thời gian và khoảng cách trong không-thời gian cong không còn là những giá trị tuyệt đối, tức là. vì trong tiềm thức chúng ta luôn quen với việc xem xét chúng. Nhưng tôi cho những khái niệm này một ý nghĩa hoàn toàn vật lý: chúng ta đang nói về thời gian riêng, được đo bởi một người quan sát chuyển động tự do (không có tên lửa hoặc bất kỳ động cơ nào khác) gần như ở tốc độ ánh sáng (các nhà lý thuyết thường gọi anh ta là người quan sát siêu tương đối).

Rõ ràng, về mặt kỹ thuật, không thể tạo ra một người quan sát như vậy, nhưng hành động theo tinh thần của Einstein, chúng ta có thể tưởng tượng một thí nghiệm tưởng tượng trong đó người quan sát đặt một photon (hoặc hạt siêu tương đối khác) và di chuyển trên nó theo quỹ đạo ngắn nhất (giống như Nam tước Munchausen trên một hạt nhân).

Ở đây cần nhớ lại rằng theo định nghĩa, photon di chuyển theo đường đi ngắn nhất; đường đi như vậy được gọi là đường trắc địa bằng 0 trong thuyết tương đối tổng quát. Trong không gian không cong thông thường, hai điểm chỉ có thể được nối bằng một đường trắc địa bằng 0. Trong trường hợp lỗ sâu đục nối các lối vào trong cùng một vũ trụ, có thể có ít nhất hai đường đi như vậy cho một photon (và cả hai đều ngắn nhất, nhưng không bằng nhau), và một trong những đường đi này đi qua lỗ sâu đục, còn đường kia thì không.

Chà, có vẻ như tôi đã đưa ra một định nghĩa đơn giản cho lỗ sâu đục bằng những từ ngữ đơn giản của con người (không sử dụng toán học). Tuy nhiên, điều đáng nói là các lỗ sâu mà ánh sáng và vật chất khác có thể đi qua theo cả hai hướng được gọi là lỗ sâu đục có thể đi qua (sau đây tôi sẽ gọi đơn giản là lỗ sâu). Dựa trên từ “có thể vượt qua”, câu hỏi đặt ra là: có những lỗ sâu không thể vượt qua được không? Vâng, tôi có. Đây là những vật thể có bề ngoài (ở mỗi đầu vào) giống như một lỗ đen, nhưng bên trong một lỗ đen như vậy không có điểm kỳ dị (trong vật lý, điểm kỳ dị là mật độ vật chất vô hạn có thể xé toạc và phá hủy mọi vật chất khác rơi vào Nó). Hơn nữa, tính chất kỳ dị là bắt buộc đối với các lỗ đen thông thường. Và bản thân lỗ đen được xác định bởi sự hiện diện của một bề mặt (quả cầu), từ đó ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Bề mặt này được gọi là chân trời lỗ đen (hay chân trời sự kiện).

Như vậy, vật chất có thể đi vào bên trong một lỗ sâu không thể xuyên thủng, nhưng không thể thoát ra khỏi nó (rất giống đặc tính của lỗ đen). Hơn nữa, cũng có thể có các lỗ sâu đục bán đi được, trong đó vật chất hoặc ánh sáng chỉ có thể đi qua lỗ sâu đục theo một hướng chứ không thể đi qua theo hướng kia.

2. Đường hầm cong? Độ cong của cái gì?

Thoạt nhìn, việc tạo ra một đường hầm lỗ sâu từ một không gian cong có vẻ khá hấp dẫn. Nhưng khi bạn nghĩ về nó, bạn bắt đầu đi đến những kết luận vô lý.
Nếu bạn đang ở trong đường hầm này, bức tường nào có thể ngăn cản bạn thoát khỏi nó theo hướng ngang?

Và những bức tường này được làm bằng gì?

Không gian trống rỗng có thực sự ngăn cản chúng ta đi qua chúng không?
Hay nó không trống rỗng?

Để hiểu được điều này (tôi thậm chí không khuyên bạn nên tưởng tượng nó), chúng ta hãy xét không gian không bị cong bởi trọng lực. Hãy để người đọc coi đây là một không gian bình thường mà anh ta luôn quen với việc giải quyết và sống trong đó. Trong phần tiếp theo tôi sẽ gọi một không gian như vậy là phẳng.

Hình 1. (bản vẽ gốc của tác giả)
Sơ đồ biểu diễn độ cong của không gian hai chiều. Các con số biểu thị các giai đoạn chuyển tiếp liên tiếp: từ giai đoạn không gian không cong (1) sang giai đoạn lỗ sâu đục hai chiều (7).

Chúng ta hãy bắt đầu bằng một điểm “O” trong không gian này và vẽ một vòng tròn xung quanh nó - xem hình số 1 trong Hình 1. Hãy để cả điểm này và đường tròn này nằm trên một mặt phẳng nào đó trong không gian phẳng của chúng ta. Như chúng ta đã biết rất rõ từ môn toán ở trường, tỉ số giữa chiều dài của đường tròn này và bán kính bằng 2π, trong đó số π = 3,1415926535.... Hơn nữa: tỉ số của độ biến thiên của chu vi với sự thay đổi tương ứng trong bán kính cũng sẽ bằng 2π (sau đây, để cho ngắn gọn, chúng ta sẽ chỉ nói THÁI ĐỘ).

Bây giờ chúng ta hãy đặt một vật thể nào đó có khối lượng M vào điểm “O” của chúng ta. Nếu chúng ta tin vào lý thuyết và thí nghiệm của Einstein (đã được thực hiện nhiều lần trên Trái đất và trong hệ mặt trời), thì không-thời gian xung quanh vật thể đó sẽ bị cong và RATIO nêu trên sẽ nhỏ hơn 2π. Hơn nữa, khối lượng M càng lớn thì càng nhỏ – xem hình số 2 – 4 trên Hình 1. Đây là độ cong của không gian! Nhưng không chỉ không gian bị cong, thời gian cũng bị cong, và nói đúng hơn là toàn bộ không-thời gian đều bị cong, bởi vì trong thuyết tương đối, cái này không thể tồn tại nếu không có cái kia - không có ranh giới rõ ràng giữa chúng.

Nó bị uốn cong theo hướng nào? – bạn hỏi.
Xuống (dưới mặt phẳng) hay ngược lại - lên?

Câu trả lời đúng là độ cong sẽ giống nhau đối với bất kỳ mặt phẳng nào được vẽ qua điểm “O” và hướng không liên quan gì đến nó. Tính chất hình học của không gian thay đổi nên tỉ số giữa chu vi và bán kính cũng thay đổi! Một số nhà khoa học tin rằng độ cong của không gian xảy ra theo hướng của một chiều mới (thứ tư). Nhưng bản thân thuyết tương đối không cần thêm một chiều nữa; ba chiều không gian và một chiều thời gian là đủ cho nó. Thông thường chiều thời gian được gán chỉ số bằng 0 và không-thời gian được chỉ định là 3+1.
Độ cong này sẽ nghiêm trọng đến mức nào?

Đối với đường tròn là đường xích đạo của chúng ta, mức giảm tương đối của RATIO sẽ là 10-9, tức là. đối với Trái đất (chiều dài đường xích đạo)/(bán kính Trái đất) ≈ 2π (1 – 10-9)!!! Đây là một bổ sung không đáng kể. Nhưng đối với một vòng tròn là đường xích đạo, mức giảm này đã là khoảng 10-5 và mặc dù mức giảm này cũng rất nhỏ nhưng các thiết bị hiện đại có thể dễ dàng đo được giá trị này.

Nhưng có nhiều vật thể kỳ lạ trong không gian hơn là chỉ các hành tinh và ngôi sao. Ví dụ, xung, là sao neutron (được tạo thành từ neutron). Lực hấp dẫn trên bề mặt của các ẩn tinh rất khủng khiếp và mật độ vật chất trung bình của chúng là khoảng 1014 g/cm3 - vật chất cực kỳ nặng! Đối với các ẩn tinh, mức giảm TỶ LỆ này đã là khoảng 0,1!

Nhưng đối với lỗ đen và lỗ sâu thì sự giảm TỶ LỆ này đạt đến mức thống nhất, tức là bản thân THÁI ĐỘ đã đạt đến con số không! Điều này có nghĩa là khi di chuyển về phía trung tâm, chu vi không thay đổi ở gần đường chân trời hoặc cổ. Diện tích hình cầu xung quanh lỗ đen hay lỗ sâu cũng không thay đổi. Nói một cách chính xác, đối với những đồ vật như vậy, định nghĩa thông thường về độ dài không còn phù hợp nữa, nhưng điều này không làm thay đổi bản chất. Hơn nữa, đối với một lỗ sâu đối xứng hình cầu, tình huống này không phụ thuộc vào hướng mà chúng ta di chuyển về phía tâm.

Làm thế nào bạn có thể tưởng tượng được điều này?

Nếu chúng ta xem xét một lỗ sâu đục, điều này có nghĩa là chúng ta đã đạt đến một hình cầu có diện tích tối thiểu Smin=4π rmin2 với bán kính cổ họng rmin. Quả cầu có diện tích tối thiểu này được gọi là cổ của lỗ sâu đục. Với chuyển động tiếp theo theo cùng một hướng, chúng ta thấy rằng diện tích của quả cầu bắt đầu tăng lên - điều này có nghĩa là chúng ta đã đi qua cổ, di chuyển sang một không gian khác và đang di chuyển ra khỏi trung tâm.

Điều gì xảy ra nếu kích thước của vật rơi vượt quá kích thước của cổ?

Để trả lời câu hỏi này, hãy chuyển sang phép tương tự hai chiều - xem Hình 2.

Giả sử cơ thể là một hình hai chiều (một thiết kế nhất định được cắt từ giấy hoặc vật liệu khác) và thiết kế này trượt dọc theo một bề mặt hình phễu (giống như bề mặt chúng ta có trong bồn tắm khi nước chảy vào nó). Hơn nữa, bản vẽ của chúng tôi trượt theo hướng cổ phễu để toàn bộ bề mặt của nó được ép vào bề mặt của phễu. Rõ ràng là khi thiết kế tiến đến cổ, độ cong của bề mặt phễu tăng lên và bề mặt của thiết kế bắt đầu biến dạng theo hình dạng của phễu tại một vị trí nhất định trong thiết kế. Bản vẽ của chúng tôi (mặc dù là giấy), giống như bất kỳ cơ thể vật lý nào, có đặc tính đàn hồi giúp ngăn ngừa sự biến dạng của nó.

Đồng thời, vật liệu của thiết kế có tác động vật lý lên vật liệu làm nên phễu. Có thể nói rằng cả cái phễu và hình vẽ đều tác dụng lực đàn hồi lên nhau.

1. Bản vẽ bị biến dạng đến mức nó sẽ trượt qua phễu và trong trường hợp này nó có thể bị sập (xé).
2. Mẫu và hình phễu không bị biến dạng đủ để mẫu lọt qua (để làm được điều này, mẫu cần phải đủ lớn và đủ chắc chắn). Sau đó, hình vẽ sẽ bị mắc kẹt trong phễu và chặn cổ nó đối với các vật thể khác.
3. Bản vẽ (chính xác hơn là chất liệu của bản vẽ) sẽ phá hủy (xé) vật liệu của phễu, tức là. một lỗ sâu đục hai chiều như vậy sẽ bị phá hủy.
4. Hình vẽ sẽ trượt qua cổ phễu (có thể chạm vào mép phễu). Nhưng điều này sẽ chỉ xảy ra nếu bạn chưa tập trung thiết kế của mình đủ chính xác vào hướng của đường viền cổ áo.

Bốn lựa chọn tương tự cũng có thể xảy ra đối với việc các vật thể vật chất ba chiều rơi vào các lỗ sâu ba chiều. Đây là cách ảo tưởng, sử dụng các mô hình đồ chơi làm ví dụ, tôi đã cố gắng mô tả một lỗ sâu dưới dạng một đường hầm không có tường.

Trong trường hợp lỗ sâu đục ba chiều (trong không gian của chúng ta), lực đàn hồi của vật liệu phễu, được thảo luận ở phần trước, được thay thế bằng lực hấp dẫn thủy triều - đây chính là những lực gây ra sự dao động lên xuống trên Trái đất dưới tác động của nó. ảnh hưởng của và.

Trong lỗ sâu đục và lỗ đen, lực thủy triều có thể đạt tới mức khủng khiếp. Chúng có khả năng xé nát và phá hủy bất kỳ vật thể hoặc vật chất nào, và ở gần điểm kỳ dị, các lực này thường trở nên vô hạn! Tuy nhiên, chúng ta có thể giả sử một mô hình lỗ sâu đục trong đó lực thủy triều bị hạn chế và do đó, robot của chúng ta (hoặc thậm chí con người) có thể đi qua lỗ sâu đục như vậy mà không làm hại nó.

Lực thủy triều, theo phân loại của Kip Thorne, có ba loại:

1. Lực căng-nén thủy triều
2. Lực thủy triều biến dạng cắt
3. Lực thủy triều biến dạng xoắn

Hình 3. (hình lấy từ báo cáo của Kip Thorne, người đoạt giải Nobel vật lý 2017) Bên trái là hình minh họa tác dụng của lực căng-nén thủy triều. Bên phải là hình minh họa tác dụng của lực cắt xoắn thủy triều.

Mặc dù 2 loại cuối cùng có thể được giảm xuống còn một - xem Hình 3.

4.Thuyết tương đối rộng của Einstein

Trong phần này tôi sẽ nói về lỗ sâu đục trong khuôn khổ thuyết tương đối tổng quát do Einstein sáng tạo ra. Tôi sẽ thảo luận về những khác biệt so với lỗ sâu đục trong các lý thuyết khác về lực hấp dẫn trong phần tiếp theo.

Tại sao tôi lại bắt đầu xem xét lý thuyết của Einstein?

Cho đến nay, thuyết tương đối của Einstein là lý thuyết đơn giản nhất và đẹp nhất trong số các lý thuyết về lực hấp dẫn không thể bác bỏ: cho đến nay chưa có một thí nghiệm nào bác bỏ nó. Kết quả của tất cả các thí nghiệm hoàn toàn phù hợp với nó trong 100 năm!!! Đồng thời, lý thuyết tương đối rất phức tạp về mặt toán học.

Tại sao lại có một lý thuyết phức tạp như vậy?

Bởi vì tất cả các lý thuyết nhất quán khác hóa ra còn phức tạp hơn...

Hình 4. (hình lấy từ cuốn sách “Vũ trụ học lạm phát” của A.D. Linde)
Bên trái là mô hình của một Vũ trụ đa nguyên tố lạm phát hỗn loạn không có lỗ sâu, bên phải cũng vậy, nhưng có lỗ sâu.

Ngày nay, mô hình “lạm phát hỗn loạn” là nền tảng của vũ trụ học hiện đại. Mô hình này hoạt động trong khuôn khổ lý thuyết của Einstein và giả định sự tồn tại (ngoài vũ trụ của chúng ta) của vô số vũ trụ khác phát sinh sau “vụ nổ lớn”, tạo thành cái gọi là “bọt không-thời gian” trong “vụ nổ”. Những khoảnh khắc đầu tiên trong và sau “sự bùng nổ” này là cơ sở của mô hình “lạm phát hỗn loạn”.

Tại những thời điểm này, các đường hầm không-thời gian sơ cấp (các lỗ sâu đục còn sót lại) có thể xuất hiện và có thể tồn tại sau lạm phát. Hơn nữa, những lỗ sâu còn sót lại này kết nối các khu vực khác nhau trong vũ trụ của chúng ta và các vũ trụ khác - xem Hình 4. Mô hình này được đề xuất bởi đồng hương của chúng tôi Andrei Linde, hiện là giáo sư tại Đại học Stanford. Mô hình này mở ra một cơ hội duy nhất để nghiên cứu Vũ trụ đa nguyên tố và khám phá một loại vật thể mới - lối vào lỗ sâu đục.

Những điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của lỗ sâu đục là gì?

Một nghiên cứu về mô hình lỗ sâu đục cho thấy vật chất lạ là cần thiết cho sự tồn tại ổn định của chúng trong khuôn khổ thuyết tương đối. Đôi khi vật chất như vậy còn được gọi là vật chất ảo.

Tại sao lại cần vấn đề như vậy?

Như tôi đã viết ở trên, lực hấp dẫn mạnh là cần thiết cho sự tồn tại của không gian cong. Trong thuyết tương đối của Einstein, lực hấp dẫn và không-thời gian cong tồn tại không thể tách rời nhau. Nếu không có đủ vật chất tập trung, không gian cong sẽ thẳng ra và năng lượng của quá trình này bị bức xạ đến vô tận dưới dạng sóng hấp dẫn.
Nhưng chỉ riêng lực hấp dẫn mạnh là không đủ cho sự tồn tại ổn định của lỗ sâu đục - bằng cách này, bạn chỉ có thể có được một lỗ đen và (kết quả là) một chân trời sự kiện.

Để ngăn chặn sự hình thành chân trời sự kiện của lỗ đen, vật chất ma là cần thiết. Thông thường, vật chất lạ hoặc vật chất ảo có nghĩa là vật chất đó vi phạm các điều kiện năng lượng. Đây đã là một khái niệm toán học, nhưng đừng lo lắng - tôi sẽ mô tả nó mà không cần đến toán học. Như bạn đã biết từ một môn vật lý ở trường, mọi vật thể rắn đều có lực đàn hồi chống lại sự biến dạng của vật thể này (tôi đã viết về điều này ở phần trước). Trong trường hợp tổng quát hơn của vật chất tùy ý (lỏng, khí, v.v.), chúng ta nói về áp suất nội tại của vật chất, hay chính xác hơn là về sự phụ thuộc của áp suất này vào mật độ của vật chất.

Các nhà vật lý gọi mối quan hệ này là phương trình trạng thái của vật chất.
Vì vậy, để các điều kiện năng lượng của vật chất bị vi phạm thì tổng áp suất và mật độ năng lượng phải âm (mật độ năng lượng bằng mật độ khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng).

Nó có nghĩa là gì?

Chà, trước tiên, nếu chúng ta coi khối lượng dương, thì áp suất của vật chất ảo đó phải âm. Và thứ hai, áp suất của vật chất ảo trong mô đun phải đủ lớn để cho giá trị âm khi thêm vào mật độ năng lượng.

Có một phiên bản thậm chí còn kỳ lạ hơn của vật chất ma: khi chúng ta xét ngay đến mật độ khối lượng âm và khi đó áp suất không đóng vai trò cơ bản mà còn nói thêm về điều đó sau.

Và điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là trong thuyết tương đối, mật độ vật chất (năng lượng) phụ thuộc vào hệ quy chiếu mà chúng ta xem xét chúng. Đối với vật chất ma, điều này dẫn đến thực tế là luôn có một hệ quy chiếu (chuyển động so với hệ quy chiếu trong phòng thí nghiệm gần như với tốc độ ánh sáng) trong đó mật độ của vật chất ảo trở nên âm. Vì lý do này, không có sự khác biệt cơ bản nào đối với vật chất ma: mật độ của nó là dương hay âm.

Liệu vấn đề đó có tồn tại không?

Và bây giờ là lúc nhớ lại việc khám phá ra năng lượng tối trong vũ trụ học (đừng nhầm nó với khái niệm “vật chất tối” - đây là một chất hoàn toàn khác). Năng lượng tối được phát hiện vào những năm 90 của thế kỷ trước và nó cần thiết để giải thích sự giãn nở tăng tốc quan sát được của vũ trụ. Vâng, vâng - vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà còn đang giãn nở với gia tốc.

7. Lỗ sâu có thể hình thành như thế nào trong Vũ trụ

Tất cả các lý thuyết số liệu về lực hấp dẫn (và lý thuyết của Einstein trong số đó) đều khẳng định nguyên lý bảo toàn cấu trúc liên kết. Điều này có nghĩa là nếu một lỗ sâu có một cấu trúc liên kết thì theo thời gian nó sẽ không thể có cấu trúc liên kết khác. Điều này cũng có nghĩa là nếu một không gian không có cấu trúc liên kết hình xuyến thì các vật thể có cấu trúc liên kết hình xuyến sẽ không thể xuất hiện trong cùng một không gian.

Do đó, các lỗ tròn (lỗ sâu đục có cấu trúc liên kết hình xuyến) không thể xuất hiện trong Vũ trụ đang giãn nở và không thể biến mất! Những thứ kia. nếu trong “vụ nổ lớn”, cấu trúc liên kết bị phá vỡ (quá trình của “vụ nổ lớn” có thể không được mô tả bằng lý thuyết số liệu - ví dụ, lý thuyết của Einstein), thì trong những khoảnh khắc đầu tiên của vụ nổ, trong “không gian- bọt thời gian” (Tôi đã viết về nó ở trên - các lỗ tròn, sau đó có thể biến thành các lỗ sâu không thể vượt qua với cấu trúc liên kết hình xuyến giống nhau, nhưng chúng sẽ không thể biến mất hoàn toàn được nữa - đó là lý do tại sao chúng được gọi là lỗ sâu đục.

Nhưng các lỗ sâu đục với cấu trúc liên kết hình cầu trong lý thuyết của Einstein có thể xuất hiện và biến mất (mặc dù theo ngôn ngữ cấu trúc liên kết chặt chẽ thì đây sẽ không phải là cấu trúc liên kết hình cầu giống như đối với các lỗ sâu kết nối các vũ trụ khác nhau, nhưng ở đây tôi sẽ không đi sâu hơn vào những khu rừng toán học này ) . Một lần nữa, tôi có thể minh họa cách hình thành các lỗ sâu đục với cấu trúc liên kết của một hình cầu có thể xảy ra bằng cách sử dụng ví dụ về sự tương tự hai chiều - xem các hình số 5 - 7 trong Hình 1. Những lỗ sâu đục hai chiều như vậy có thể “phồng lên” giống như lỗ sâu đục của một đứa trẻ. quả bóng cao su tại bất kỳ điểm nào trong một “vũ trụ” cao su phẳng. Hơn nữa, trong quá trình “lạm phát” như vậy, cấu trúc liên kết không bị vi phạm ở bất kỳ đâu - không có sự gián đoạn ở bất kỳ đâu. Trong không gian ba chiều (hình cầu ba chiều), mọi thứ diễn ra theo cách tương tự - giống như tôi đã mô tả ở trên.

8. Có thể chế tạo cỗ máy thời gian từ lỗ sâu đục không?

Trong số các tác phẩm văn học, bạn có thể tìm thấy nhiều tiểu thuyết khác nhau về cỗ máy thời gian. Thật không may, hầu hết chúng đều là những huyền thoại không liên quan gì đến cái thường được gọi là Cỗ máy THỜI GIAN trong vật lý. Vì vậy, trong vật lý, cỗ máy thời gian thường được gọi là những đường thế giới khép kín của các vật thể vật chất. Khi nói đường thế giới, chúng tôi muốn nói đến quỹ đạo của một vật được vẽ không phải trong không gian mà trong không-thời gian!

Hơn nữa, chiều dài của những đường này phải có kích thước vĩ mô. Yêu cầu cuối cùng là do trong vật lý lượng tử (trong thế giới vi mô), các dòng hạt trong thế giới khép kín là điều phổ biến. Nhưng thế giới lượng tử lại là một vấn đề hoàn toàn khác. Ví dụ, trong đó có hiệu ứng đường hầm lượng tử, cho phép một vi hạt đi qua một rào cản tiềm năng (qua một bức tường mờ đục). Bạn còn nhớ anh hùng Ivanushka (do Alexander Abdulov thủ vai) trong bộ phim Sorcerers, nơi anh ta đi xuyên tường không? Tất nhiên là một câu chuyện cổ tích, nhưng xét từ góc độ khoa học thuần túy, một vật thể vĩ mô lớn cũng có khả năng đi xuyên qua một bức tường (đường hầm lượng tử).

Nhưng nếu chúng ta tính xác suất này, thì nó sẽ nhỏ đến mức số lần thử cần thiết (bằng một lần chia cho xác suất cực nhỏ này) cần thiết để đào hầm lượng tử thành công là gần như vô hạn. Cụ thể hơn, số lần thử như vậy sẽ vượt quá số lượng tất cả các hạt cơ bản trong Vũ trụ!

Tình huống này gần giống với nỗ lực tạo ra cỗ máy thời gian từ vòng lặp lượng tử - gần như không thể tin được.

Nhưng chúng ta vẫn sẽ quay lại vấn đề tạo ra cỗ máy thời gian bằng lỗ sâu đục. Đối với điều này (như tôi đã nói), chúng ta cần các đường thế giới khép kín. Nhân tiện, những đường như vậy tồn tại bên trong các lỗ đen đang quay. Nhân tiện, chúng tồn tại trong một số mô hình của Vũ trụ quay (lời giải của Godel).

Nhưng để những đường như vậy xuất hiện bên trong lỗ sâu đục thì phải đáp ứng hai điều kiện:

Thứ nhất, lỗ sâu đục phải là lỗ vành khuyên, tức là kết nối các khu vực khác nhau của cùng một vũ trụ.

Và thứ hai, lỗ sâu này phải quay đủ nhanh (đúng hướng).

Cụm từ “đủ nhanh” ở đây có nghĩa là tốc độ của vật chất chuyển động trong đó phải gần bằng tốc độ ánh sáng.

Đó là tất cả? – bạn hỏi, liệu chúng ta có thể du hành về quá khứ và quay trở lại không? Các nhà vật lý ngày nay không thể trả lời câu hỏi này một cách chính xác về mặt toán học. Thực tế là mô hình toán học cần tính toán phức tạp đến mức không thể xây dựng được một giải pháp phân tích. Hơn nữa: ngày nay không có một giải pháp phân tích duy nhất nào cho các lỗ tròn - chỉ có các phép tính số gần đúng được thực hiện trên máy tính.

Ý kiến ​​​​cá nhân của tôi là ngay cả khi có thể có được một đường thế giới khép kín, nó sẽ bị phá hủy bởi vật chất (sẽ di chuyển dọc theo vòng lặp này) ngay cả trước khi vòng lặp đóng lại. Những thứ kia. một cỗ máy thời gian là không thể, nếu không chúng ta có thể quay ngược thời gian và chẳng hạn như giết bà của chúng ta ở đó ngay cả trước khi những đứa con của bà được sinh ra - một sự mâu thuẫn rõ ràng về mặt logic. Những thứ kia. Chỉ có thể có được những vòng lặp thời gian không thể ảnh hưởng đến quá khứ của chúng ta. Vì lý do logic tương tự, chúng ta sẽ không thể nhìn vào tương lai khi vẫn ở trong hiện tại. Chúng ta chỉ có thể được đưa hoàn toàn vào tương lai và sẽ không thể quay trở lại từ đó nếu chúng ta đã bước vào đó. Nếu không, mối quan hệ nhân quả giữa các sự kiện sẽ bị phá vỡ (và theo tôi điều này là không thể).

9. Lỗ giun và chuyển động vĩnh viễn

Trên thực tế, bản thân lỗ sâu đục không có mối liên hệ trực tiếp nào với chuyển động vĩnh viễn, nhưng với sự trợ giúp của vật chất ảo (thứ cần thiết cho sự tồn tại đứng yên của lỗ sâu đục), về nguyên tắc, có thể tạo ra cái gọi là cỗ máy chuyển động vĩnh viễn thuộc loại thứ ba. loại.

Hãy để tôi nhắc bạn về một trong những tính chất đáng kinh ngạc của vật chất ảo (xem ở trên): luôn có một hệ quy chiếu (chuyển động so với hệ quy chiếu trong phòng thí nghiệm gần như với tốc độ ánh sáng) trong đó mật độ của vật chất ảo trở nên âm. Hãy tưởng tượng một vật thể có khối lượng âm (làm từ vật chất ảo). Theo định luật vạn vật hấp dẫn, vật này sẽ bị hút vào một vật bình thường có khối lượng dương. Mặt khác, một vật bình thường sẽ phải đẩy một vật có khối lượng âm. Nếu khối lượng tuyệt đối của các vật này bằng nhau thì các vật đó sẽ “đuổi” nhau đến vô cùng.

Nguyên lý hoạt động của động cơ vĩnh cửu loại ba dựa trên hiệu ứng này (hoàn toàn về mặt lý thuyết). Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng khai thác năng lượng (cho nhu cầu của nền kinh tế quốc gia) từ nguyên tắc này vẫn chưa được chứng minh một cách chặt chẽ cả về mặt toán học lẫn vật lý (mặc dù những nỗ lực như vậy đã được thực hiện nhiều lần).
Hơn nữa, các nhà khoa học đã không và không tin vào khả năng tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu, và đây là lập luận chính chống lại sự tồn tại của vật chất ma và chống lại lỗ sâu đục... Cá nhân tôi cũng không tin vào khả năng tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu. máy chuyển động vĩnh cửu, nhưng tôi thừa nhận khả năng tồn tại một số loại vật chất ảo trong tự nhiên.

10. Mối liên hệ giữa lỗ sâu đục và lỗ đen

Như tôi đã viết ở trên, những lỗ sâu đục còn sót lại đầu tiên có thể hình thành trong Vũ trụ sau “vụ nổ lớn” cuối cùng có thể trở thành không thể vượt qua được. Những thứ kia. đi qua chúng là không thể. Theo thuật ngữ toán học, điều này có nghĩa là một “chân trời bẫy” xuất hiện ở lỗ sâu đục, đôi khi còn được gọi là chân trời tầm nhìn giống như không gian. Ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi chân trời bị mắc kẹt, và các vật chất khác càng không thể thoát ra được.

Bạn có thể hỏi: "Cái gì, chân trời có khác nhau không?" Đúng vậy, có một số loại chân trời trong các lý thuyết về lực hấp dẫn, và khi người ta nói rằng lỗ đen có một chân trời, họ thường muốn nói đến một chân trời sự kiện.

Tôi sẽ nói thêm: lỗ sâu đục cũng phải có chân trời, chân trời này gọi là chân trời khả kiến, và cũng có một số loại chân trời như vậy. Nhưng tôi sẽ không đi sâu vào vấn đề đó ở đây.

Vì vậy, nếu lỗ sâu đục không thể vượt qua được thì bề ngoài gần như không thể phân biệt được nó với lỗ đen. Dấu hiệu duy nhất của một lỗ sâu đục như vậy chỉ có thể là một từ trường đơn cực (mặc dù lỗ sâu đục có thể không có nó).

Cụm từ “trường độc quyền” có nghĩa là trường đi thẳng ra khỏi lỗ sâu đục theo một hướng, tức là trường hoặc đi ra khỏi lỗ sâu ở tất cả các phía (như kim của con nhím) hoặc đi vào lỗ sâu từ mọi phía - xem Hình 6.

Sự tồn tại của từ trường đơn cực trong lỗ đen bị cấm bởi cái gọi là định lý “Về sự vắng mặt của tóc trong lỗ đen”.

Đối với trường đơn cực điện, tính chất này thường có nghĩa là có một điện tích bên trong bề mặt mà ở đó trường đi vào (hoặc rời đi). Nhưng điện tích từ chưa được tìm thấy trong tự nhiên, vì vậy nếu một trường đi vào lỗ sâu đục ở một trong các đầu vào thì nó phải thoát ra ở đầu kia của lỗ sâu đục (hoặc ngược lại). Như vậy, có thể áp dụng một khái niệm thú vị trong vật lý lý thuyết, khái niệm này được gọi là “điện tích không có điện tích”.

Điều này có nghĩa là một lỗ sâu từ ở mỗi đầu vào của nó sẽ trông giống như một điện tích từ, nhưng điện tích của các đầu vào ngược dấu (+ và -) và do đó tổng điện tích của các đầu vào lỗ sâu bằng không. Trên thực tế, không nên có bất kỳ điện tích từ nào, chỉ là từ trường bên ngoài hoạt động như thể có - xem Hình 6.

Các lỗ sâu đục có thể vượt qua có những đặc điểm riêng có thể được sử dụng để phân biệt chúng với các lỗ đen, và tôi sẽ viết về điều này trong phần tiếp theo.
Nếu một lỗ sâu không thể vượt qua được thì việc sử dụng vật chất ảo có thể khiến nó có thể vượt qua được. Cụ thể là, nếu chúng ta “tưới” vật chất ảo vào một lỗ sâu không thể vượt qua từ một trong các lối vào của nó, thì nó sẽ có thể vượt qua được từ lối vào đối diện và ngược lại. Đúng, câu hỏi vẫn được đặt ra: làm thế nào một du khách (người muốn đi qua một hố sâu không thể vượt qua) có thể thông báo cho trợ lý của mình ở lối vào của hố sâu đối diện với anh ta (đóng cửa bởi đường chân trời) rằng anh ta (người du hành) đã ở gần lối vào của anh ta và đã đến lúc bắt đầu “tưới nước” cho lối vào đối diện bằng vật chất ma quái, để lỗ sâu trở nên có thể đi qua được theo hướng mà du khách mong muốn.

Vì vậy, để một lỗ sâu không thể vượt qua trở nên hoàn toàn có thể vượt qua được, nó phải được “tưới” vật chất ảo từ cả hai lối vào của nó cùng một lúc. Hơn nữa, phải có đủ lượng vật chất ảo; chính xác thì câu hỏi khó là gì; câu trả lời cho nó chỉ có thể được đưa ra bằng một phép tính số chính xác cho một mô hình cụ thể (những mô hình như vậy đã được tính toán trước đó trong các ấn phẩm khoa học). Trong vật lý thiên văn thậm chí còn có quan điểm cho rằng vật chất ma quái khủng khiếp đến mức nó thậm chí còn làm tan biến các lỗ đen trong chính nó! Công bằng mà nói, cần phải nói rằng một lỗ đen khi tan biến không nhất thiết tạo thành một lỗ sâu đục.

Ngược lại, vật chất thông thường với số lượng vừa đủ sẽ “khóa” lỗ sâu đục, tức là. khiến nó không thể vượt qua được. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng theo nghĩa này, sự chuyển hóa lẫn nhau giữa lỗ đen và lỗ sâu là có thể xảy ra.

11. Lỗ đen và lỗ trắng là một loại lỗ sâu đục

Tôi cho rằng cho đến nay độc giả vẫn có ấn tượng rằng lỗ đen là vật thể mà từ đó không có gì có thể thoát ra được (kể cả ánh sáng). Đây không phải là một tuyên bố hoàn toàn đúng.

Thực tế là ở hầu hết các lỗ đen, điểm kỳ dị sẽ đẩy vật chất (và ánh sáng) khi nó bay quá gần nó (đã ở dưới đường chân trời của lỗ đen). Ngoại lệ duy nhất cho hiện tượng này có thể là cái gọi là lỗ đen Schwarzschild, tức là những vật không quay và không mang điện tích. Nhưng để hình thành một lỗ đen Schwarzschild như vậy, vật chất cấu thành của nó đòi hỏi những điều kiện ban đầu như vậy, số đo của nó bằng 0 trên tập hợp tất cả các điều kiện ban đầu có thể có!

Nói cách khác, khi bất kỳ lỗ đen nào được hình thành, nó chắc chắn sẽ quay (dù rất nhỏ) và chắc chắn sẽ có điện tích (ngay cả khi nó là sơ cấp), tức là. lỗ đen sẽ không phải là Schwarzschild. Trong phần tiếp theo tôi sẽ gọi những lỗ đen như vậy là có thật. Các lỗ đen thực sự có cách phân loại riêng: Kerr (đối với lỗ đen quay), Reisner-Nordström (đối với lỗ đen tích điện) và Kerr-Newman (đối với lỗ đen quay và tích điện).

Điều gì xảy ra với một hạt bị đẩy lùi bởi một điểm kỳ dị bên trong một lỗ đen thực sự?

Hạt sẽ không thể bay trở lại nữa - điều này sẽ mâu thuẫn với các định luật vật lý trong lỗ đen, bởi vì hạt đã rơi vào chân trời sự kiện. Nhưng hóa ra cấu trúc liên kết bên trong lỗ đen hóa ra không hề tầm thường (phức tạp). Điều này dẫn đến việc sau khi rơi xuống dưới chân trời của lỗ đen, mọi vật chất, hạt và ánh sáng đều bị điểm kỳ dị ném ra ngoài vũ trụ.

Trong vũ trụ nơi tất cả những thứ này bay ra ngoài, có một lỗ trắng - chính từ đó vật chất (hạt, ánh sáng) bay ra ngoài. Nhưng mọi điều kỳ diệu không dừng lại ở đó... Sự thật là ở cùng một nơi trong không gian nơi có lỗ trắng này (ở một vũ trụ khác) cũng có một lỗ đen.

Vật chất rơi vào lỗ đen đó (ở vũ trụ khác) cũng trải qua quá trình tương tự và bay ra vũ trụ tiếp theo. vân vân... Hơn nữa, sự chuyển động từ vũ trụ này sang vũ trụ khác luôn chỉ có thể thực hiện được theo một hướng: từ quá khứ đến tương lai (trong không-thời gian). Hướng này gắn liền với mối quan hệ nhân quả giữa các sự kiện trong bất kỳ không gian-thời gian nào. Dựa trên lẽ thường và logic, các nhà khoa học cho rằng mối quan hệ nhân quả không bao giờ bị phá vỡ.

Người đọc có thể đặt ra một câu hỏi hợp lý: liệu vũ trụ của chúng ta có nhất thiết phải có lỗ trắng - nơi đã có lỗ đen và từ đó vật chất có thể bay ra khỏi vũ trụ trước chúng ta hay không? Đối với các chuyên gia về cấu trúc liên kết của lỗ đen, đây là một câu hỏi khó và câu trả lời cho nó là “không phải lúc nào cũng vậy”. Nhưng, về nguyên tắc, tình huống như vậy hoàn toàn có thể tồn tại (khi lỗ đen trong vũ trụ của chúng ta cũng là lỗ trắng từ một vũ trụ khác - vũ trụ trước đó). Thật không may, chúng ta vẫn chưa thể trả lời câu hỏi - tình huống nào có thể xảy ra hơn (liệu lỗ đen trong vũ trụ của chúng ta có đồng thời là lỗ trắng từ vũ trụ trước đó hay không).

Vì vậy, những vật thể như vậy - lỗ đen và trắng - còn có một tên gọi khác: “lỗ sâu động”. Chúng được gọi là động vì chúng luôn có một vùng dưới chân trời của lỗ đen (vùng này được gọi là vùng T) trong đó không thể tạo ra một hệ quy chiếu cứng nhắc và trong đó mọi hạt hoặc vật chất sẽ ở nghỉ ngơi. Trong vùng chữ T, vật chất không chỉ chuyển động liên tục mà còn chuyển động với tốc độ khác nhau mọi lúc.

Nhưng giữa điểm kỳ dị và vùng T trong lỗ đen thực vẫn luôn có một khoảng không gian với một vùng bình thường, vùng này gọi là vùng R. Đặc biệt, không gian bên ngoài lỗ đen còn có tính chất của vùng R. Vì vậy, lực đẩy của vật chất khỏi điểm kỳ dị xảy ra chính xác ở vùng R bên trong.

Hình 7. (tác giả lấy sơ đồ Carter-Penrose cho lỗ đen Reisner-Nordström làm cơ sở cho hình) Hình bên trái mô tả sơ đồ một không gian với cấu trúc liên kết không tầm thường (phức tạp) của màu đen Reisner-Nordström -và-lỗ trắng (sơ đồ Carter-Penrose). Bên phải là đường đi của một hạt xuyên qua lỗ đen trắng này: bên ngoài vòng tròn màu đen là vùng R bên ngoài, giữa vòng tròn màu xanh lá cây và màu đen là vùng T, bên dưới vòng tròn màu xanh lá cây là vùng R bên trong vùng và điểm kỳ dị.

Vì những lý do này, không thể tính toán và xây dựng một quỹ đạo đơn lẻ của một hạt đi qua lỗ đen trắng ở cả hai vũ trụ cùng một lúc. Đối với cấu trúc như vậy, cần phải chia quỹ đạo mong muốn thành hai phần và “khâu” các phần này lại với nhau trong vùng R bên trong (chỉ ở đó mới có thể thực hiện được điều này) - xem Hình 7.

Như tôi đã viết trước đây, lực thủy triều có thể xé nát vật chất trước khi nó đến được vũ trụ khác. Hơn nữa, bên trong một lỗ đen trắng, lực thủy triều tối đa đạt được tại điểm có bán kính tối thiểu (trong vùng R bên trong). Một lỗ đen thực sự có đặc tính càng gần với lỗ đen Schwarzschild thì các lực này sẽ đạt cực đại càng lớn và vật chất càng có ít cơ hội vượt qua lỗ đen trắng mà không bị phá hủy.

Những tính chất này của lỗ đen thực sự được xác định bằng số đo spin của chúng (đây là xung lượng góc chia cho bình phương khối lượng của chúng) và số đo điện tích của chúng (đây là điện tích chia cho khối lượng của chúng). Mỗi tính chất này (những thước đo này) không thể lớn hơn một đối với các lỗ đen thực sự. Do đó, bất kỳ biện pháp nào trong số này càng lớn thì lực thủy triều ở mức tối đa sẽ càng ít trong một lỗ đen như vậy và cơ hội để vật chất (hoặc con người) vượt qua lỗ đen trắng đó mà không bị phá hủy càng lớn. . Hơn nữa, dù nghe có vẻ nghịch lý đến đâu thì lỗ đen thực sự càng nặng thì lực thủy triều sẽ đạt cực đại càng ít!

Điều này xảy ra vì lực thủy triều không chỉ là lực hấp dẫn mà còn là một gradient của lực hấp dẫn (tức là tốc độ thay đổi của lực hấp dẫn). Do đó, lỗ đen càng lớn thì lực hấp dẫn thay đổi trong nó càng chậm (mặc dù thực tế là bản thân lực hấp dẫn có thể rất lớn). Do đó, gradient hấp dẫn (tức là lực thủy triều) sẽ nhỏ hơn ở các lỗ đen lớn hơn.

Ví dụ, đối với một lỗ đen có khối lượng vài triệu khối lượng mặt trời (ở trung tâm thiên hà của chúng ta có một lỗ đen có khối lượng ≈ 4,3 triệu khối lượng mặt trời), lực thủy triều trên đường chân trời của nó đủ nhỏ đối với một người. để bay tới đó, đồng thời, không có gì mà tôi sẽ không cảm nhận được vào thời điểm nó đi qua đường chân trời. Và trong Vũ trụ cũng có những lỗ đen nặng hơn nhiều - với khối lượng vài tỷ lần khối lượng mặt trời (chẳng hạn như ở chuẩn tinh M87) ... Tôi sẽ giải thích rằng chuẩn tinh là hạt nhân hoạt động (phát sáng rực rỡ) của các thiên hà xa xôi .

Vì, như tôi đã viết, vật chất hoặc ánh sáng vẫn có thể bay từ vũ trụ này sang vũ trụ khác thông qua một lỗ đen trắng mà không bị phá hủy, nên những vật thể như vậy có thể được gọi một cách chính đáng là một loại lỗ sâu đục khác không có vật chất ảo. Hơn nữa, sự tồn tại của loại lỗ sâu đục đặc biệt này trong Vũ trụ có thể được coi là đã được chứng minh trên thực tế!

Video gốc của tác giả (từ ấn phẩm của ông), minh họa sự rơi xuyên tâm, tự do của một quả cầu bụi vào một lỗ đen trắng (tất cả các hạt bụi trên quả cầu phát sáng màu xanh lục đơn sắc). Bán kính chân trời Cauchy của lỗ Reissner-Nordström đen trắng này nhỏ hơn 2 lần so với bán kính của chân trời bên ngoài. Người quan sát cũng rơi tự do và xuyên tâm (theo quả cầu này), nhưng từ khoảng cách xa hơn một chút.

Trong trường hợp này, ban đầu các photon màu lục từ các hạt bụi của quả cầu đến người quan sát với sự dịch chuyển hấp dẫn màu đỏ (và sau đó là màu tím). Nếu người quan sát đứng yên so với lỗ đen trắng, thì sau khi quả cầu vượt qua đường chân trời tầm nhìn, độ dịch chuyển màu đỏ của các photon đối với người quan sát sẽ trở nên vô hạn và anh ta sẽ không thể quan sát quả cầu bụi này nữa. Nhưng nhờ sự rơi tự do của người quan sát, anh ta có thể nhìn thấy quả cầu mọi lúc (nếu chúng ta không tính đến sự dịch chuyển mạnh về phía đỏ của các photon) - bao gồm cả. và những khoảnh khắc khi quả cầu đi qua cả hai chân trời, và trong khi chính người quan sát vượt qua những chân trời này, và thậm chí sau khi quả cầu đi qua cổ của lỗ sâu động này (lỗ đen trắng) - và sự thoát ra của các hạt bụi vào một vũ trụ khác .

Dưới đây là thang đo bán kính dành cho người quan sát (được đánh dấu bằng dấu màu vàng), điểm của lớp vỏ bụi gần người quan sát nhất (được đánh dấu bằng dấu màu xanh lá cây), điểm của lớp vỏ bụi ở xa người quan sát nhất có photon nào đến với người quan sát (được đánh dấu bằng một vạch trắng mỏng), cũng như vị trí của lỗ đen đường chân trời (dấu đỏ), chân trời Cauchy (dấu xanh) và điểm họng (dấu tím).

12.Đa vũ trụ

Khái niệm Đa vũ trụ thường được đồng nhất với cấu trúc liên kết không tầm thường của không gian xung quanh chúng ta. Hơn nữa, trái ngược với khái niệm “đa vũ trụ” trong vật lý lượng tử, chúng có nghĩa là những quy mô không gian đủ lớn mà trên đó các hiệu ứng lượng tử có thể bị bỏ qua hoàn toàn. Một cấu trúc liên kết không tầm thường là gì? Tôi sẽ giải thích điều này bằng những ví dụ đơn giản. Hãy tưởng tượng hai đồ vật được đúc từ nhựa dẻo: một chiếc cốc thông thường có tay cầm và một chiếc đĩa đựng chiếc cốc này.

Không làm rách nhựa và không dán các bề mặt mà chỉ bằng cách làm biến dạng dẻo của nhựa, một chiếc đĩa có thể biến thành một quả bóng, nhưng không thể biến thành một chiếc cốc hoặc một chiếc bánh rán. Đối với chiếc cốc thì ngược lại: vì có tay cầm nên chiếc cốc không thể biến thành chiếc đĩa hay quả bóng, nhưng nó có thể biến thành chiếc bánh rán. Những đặc tính chung này của một chiếc đĩa và một quả bóng tương ứng với cấu trúc liên kết chung của chúng - cấu trúc liên kết của một hình cầu, và các đặc tính chung của một cái cốc và một chiếc bánh rán - cấu trúc liên kết của một hình xuyến.

Vì vậy, cấu trúc liên kết của một hình cầu (đĩa và quả bóng) được coi là tầm thường, và cấu trúc liên kết phức tạp hơn của hình xuyến (chiếc cốc và bánh rán) được coi là không tầm thường, mặc dù có những loại khác, thậm chí còn phức tạp hơn. -cấu trúc liên kết tầm thường - không chỉ cấu trúc liên kết của hình xuyến. Vũ trụ xung quanh chúng ta bao gồm ít nhất ba chiều không gian (chiều dài, chiều rộng, chiều cao) và một chiều thời gian, và các khái niệm về cấu trúc liên kết rõ ràng đã được chuyển sang thế giới của chúng ta.

Do đó, nếu hai vũ trụ khác nhau có cấu trúc liên kết hình cầu được kết nối chỉ bằng một lỗ sâu đục (quả tạ), thì vũ trụ tạo thành cũng sẽ có cấu trúc liên kết hình cầu tầm thường. Nhưng nếu hai phần khác nhau của một vũ trụ được kết nối với nhau bằng một lỗ sâu đục (trọng lượng), thì vũ trụ như vậy sẽ có cấu trúc liên kết hình xuyến không hề tầm thường.

Nếu hai vũ trụ khác nhau có cấu trúc liên kết hình cầu được kết nối bởi hai hoặc nhiều lỗ sâu đục thì vũ trụ tạo thành sẽ có cấu trúc liên kết không tầm thường. Một hệ thống các vũ trụ được kết nối bởi một số lỗ sâu cũng sẽ có cấu trúc liên kết không tầm thường nếu có ít nhất một đường khép kín không thể được kéo lại với nhau về một điểm bởi bất kỳ biến dạng trơn nào.

Đối với tất cả sự hấp dẫn của chúng, lỗ sâu đục có hai nhược điểm đáng kể: chúng không ổn định và sự tồn tại của chúng đòi hỏi sự hiện diện của vật chất lạ (hoặc ma). Và nếu sự ổn định của chúng vẫn có thể được thực hiện một cách nhân tạo, thì nhiều nhà khoa học đơn giản là không tin vào khả năng tồn tại của vật chất ma. Dựa trên những điều trên, có vẻ như nếu không có lỗ sâu thì sự tồn tại của Đa vũ trụ là không thể. Nhưng hóa ra không phải vậy: sự tồn tại của các lỗ đen thực sự là khá đủ cho sự tồn tại của Đa vũ trụ.

Như tôi đã nói, bên trong tất cả các lỗ đen đều có một điểm kỳ dị - đây là khu vực trong đó mật độ năng lượng và vật chất đạt đến giá trị vô hạn. Ở hầu hết các lỗ đen, điểm kỳ dị sẽ đẩy vật chất (và ánh sáng) khi nó đến quá gần nó (đã ở dưới đường chân trời của lỗ đen).

Ngoại lệ duy nhất cho hiện tượng này có thể là cái gọi là lỗ đen Schwarzschild, tức là những lỗ không quay chút nào và không có điện tích. Lỗ đen Schwarzschild có cấu trúc liên kết tầm thường. Nhưng để hình thành một lỗ đen Schwarzschild như vậy, vật chất hình thành nên nó đòi hỏi những điều kiện ban đầu như vậy, số đo của nó bằng 0 trên tập hợp tất cả các điều kiện ban đầu có thể có!

Nói cách khác, khi bất kỳ lỗ đen nào được hình thành, nó chắc chắn sẽ có chuyển động quay (dù rất nhỏ) và chắc chắn sẽ có điện tích (dù là sơ cấp), tức là lỗ đen sẽ không phải là Schwarzschild. Tôi gọi những lỗ đen như vậy là có thật.

Lỗ đen Schwarzschild có một điểm kỳ dị bên trong một quả cầu trung tâm có diện tích vô cùng nhỏ. Một lỗ đen thực sự có một điểm kỳ dị trên một vòng nằm trong mặt phẳng xích đạo dưới cả hai chân trời của lỗ đen. Điều đáng nói thêm ở đây là, không giống như lỗ đen Schwarzschild, lỗ đen thực sự không có một mà có hai chân trời. Hơn nữa, giữa các chân trời này, các dấu hiệu toán học về không gian và thời gian thay đổi địa điểm (mặc dù điều này không có nghĩa là bản thân không gian và thời gian thay đổi địa điểm, như một số nhà khoa học tin tưởng).

Điều gì sẽ xảy ra với một hạt bị đẩy lùi bởi một điểm kỳ dị bên trong một lỗ đen thực sự (đã ở dưới chân trời bên trong của nó)? Hạt sẽ không thể bay trở lại nữa: điều này sẽ mâu thuẫn với các định luật vật lý và quan hệ nhân quả trong lỗ đen, vì hạt đã rơi vào chân trời sự kiện. Điều này dẫn đến thực tế là sau khi rơi xuống chân trời bên trong của một lỗ đen thực sự, mọi vật chất, hạt, ánh sáng đều bị điểm kỳ dị ném ra ngoài vũ trụ.

Điều này là do, không giống như các lỗ đen Schwarzschild, cấu trúc liên kết bên trong các lỗ đen thực sự hóa ra không tầm thường. Thật tuyệt vời phải không? Ngay cả một lỗ đen quay nhẹ cũng dẫn đến sự thay đổi căn bản về tính chất cấu trúc liên kết của nó! Trong vũ trụ nơi vật chất bay ra ngoài, có một lỗ trắng - mọi thứ đều bay ra khỏi nó. Nhưng mọi điều kỳ diệu không dừng lại ở đó... Sự thật là ở cùng một nơi trong không gian nơi có lỗ trắng này, ở một vũ trụ khác cũng có một lỗ đen. Vật chất rơi vào lỗ đen ở vũ trụ khác cũng trải qua quá trình tương tự và bay ra vũ trụ tiếp theo, v.v.

Hơn nữa, sự chuyển động từ vũ trụ này sang vũ trụ khác luôn chỉ có thể xảy ra theo một hướng - từ quá khứ đến tương lai (trong không-thời gian). Hướng này gắn liền với mối quan hệ nhân quả giữa các sự kiện trong bất kỳ không gian-thời gian nào. Dựa trên lẽ thường và logic, các nhà khoa học cho rằng mối quan hệ nhân quả không bao giờ bị phá vỡ. Một vật thể như vậy thường được gọi là lỗ đen trắng (theo nghĩa này, lỗ sâu đục có thể được gọi là lỗ trắng trắng). Đây là Đa vũ trụ, tồn tại nhờ sự tồn tại của các lỗ đen thực sự và sự tồn tại của lỗ sâu và vật chất ma quái là không cần thiết cho sự tồn tại của nó.

Tôi cho rằng đối với hầu hết độc giả, sẽ khó tưởng tượng rằng trong cùng một vùng không gian (trong cùng một quả cầu có bán kính chân trời của một lỗ đen) sẽ có hai vật thể khác nhau về cơ bản: một lỗ đen và một lỗ trắng. Nhưng về mặt toán học điều này có thể được chứng minh khá chặt chẽ.

Tôi mời người đọc tưởng tượng một mô hình đơn giản: lối vào (và lối ra) của một tòa nhà có cửa quay. Cánh cửa này chỉ có thể quay theo một hướng. Bên trong tòa nhà, lối vào và lối ra gần cửa này được ngăn cách bằng cửa quay, cho phép du khách đi qua chỉ theo một hướng (vào hoặc ra), còn bên ngoài tòa nhà không có cửa quay. Hãy tưởng tượng rằng bên trong tòa nhà, các cửa quay này chia toàn bộ tòa nhà thành 2 phần: vũ trụ số 1 để ra khỏi tòa nhà và vũ trụ số 3 để vào đó, và bên ngoài tòa nhà có vũ trụ số 2 - vũ trụ mà bạn và Tôi sống. Bên trong tòa nhà, cửa quay cũng chỉ cho phép di chuyển theo hướng từ số 1 đến số 3. Một mô hình đơn giản như vậy minh họa rõ ràng hoạt động của một lỗ đen trắng và giải thích rằng bên ngoài tòa nhà, du khách ra vào có thể va chạm với nhau, nhưng bên trong tòa nhà thì không thể do chuyển động một chiều (giống như các hạt của vật chất trong các vũ trụ tương ứng).

Trên thực tế, những hiện tượng đi kèm với vật chất trong quá trình phóng vào vũ trụ khác là những quá trình khá phức tạp. Vai trò chính trong chúng bắt đầu do lực hấp dẫn thủy triều đóng, mà tôi đã viết ở trên. Tuy nhiên, nếu vật chất đi vào bên trong lỗ đen không đạt đến điểm kỳ dị, thì lực thủy triều tác dụng lên nó luôn hữu hạn và do đó, về cơ bản, robot (hoặc thậm chí con người) có thể đi qua được. một cái lỗ đen trắng như vậy mà không làm hại anh ta. Hơn nữa, lỗ đen càng lớn và nặng thì lực thủy triều sẽ đạt cực đại càng nhỏ...

Người đọc có thể có một câu hỏi hợp lý: liệu có nhất thiết phải có một lỗ trắng trong Vũ trụ của chúng ta, nơi đã có một lỗ đen, và từ đâu vật chất từ ​​Vũ trụ trước đó có thể bay đến chỗ chúng ta? Đối với các chuyên gia về cấu trúc liên kết lỗ đen, đây là một câu hỏi khó và câu trả lời là “không phải lúc nào cũng vậy”. Nhưng, về nguyên tắc, tình huống như vậy có thể tồn tại - khi một lỗ đen trong Vũ trụ của chúng ta cũng là một lỗ trắng từ một vũ trụ khác, trước đó. Trả lời câu hỏi “Tình huống nào có nhiều khả năng xảy ra hơn?” (cho dù lỗ đen trong Vũ trụ của chúng ta có phải là lỗ trắng từ Vũ trụ trước đó hay không), thật không may, chúng ta vẫn chưa thể.

Tất nhiên, ngày nay và trong tương lai gần, về mặt kỹ thuật sẽ không thể gửi ngay cả một robot đến lỗ đen, nhưng một số hiệu ứng vật lý và hiện tượng đặc trưng của lỗ sâu và lỗ đen trắng có những đặc tính độc đáo mà thiên văn học quan sát ngày nay có được. tiến gần đến việc phát hiện ra chúng và kết quả là phát hiện ra những vật thể đó.

13. Lỗ sâu sẽ trông như thế nào qua kính viễn vọng mạnh

Như tôi đã viết, nếu lỗ sâu đục không thể vượt qua được thì việc phân biệt nó với lỗ đen sẽ rất khó khăn. Nhưng nếu nó vượt qua được thì thông qua nó bạn có thể quan sát các vật thể và ngôi sao trong vũ trụ khác.

Hình 9. (bản vẽ gốc của tác giả)
Bảng bên trái hiển thị một phần bầu trời đầy sao được quan sát qua một lỗ tròn trong cùng vũ trụ (1 triệu ngôi sao giống hệt nhau, phân bố đều). Bảng ở giữa hiển thị bầu trời đầy sao của một vũ trụ khác, được nhìn qua một lỗ sâu đục tĩnh (1 triệu hình ảnh khác nhau từ 210.069 ngôi sao giống hệt nhau và phân bố đều trong vũ trụ khác). Bảng bên phải hiển thị bầu trời đầy sao của một vũ trụ khác khi nhìn qua một lỗ đen trắng (1 triệu hình ảnh khác nhau từ 58.892 ngôi sao giống hệt nhau và phân bố đều trong vũ trụ khác).

Hãy xem xét mô hình (giả thuyết) đơn giản nhất của bầu trời đầy sao: có khá nhiều ngôi sao giống hệt nhau trên bầu trời và tất cả những ngôi sao này phân bố đều trên thiên cầu. Khi đó, hình ảnh bầu trời này, được quan sát qua một lỗ tròn trong cùng vũ trụ, sẽ như được minh họa trong phần bên trái của Hình 9. Bảng điều khiển bên trái này hiển thị 1 triệu ngôi sao giống hệt nhau, cách đều nhau, do đó hình ảnh có vẻ là một đốm tròn gần như đồng nhất.

Nếu chúng ta quan sát cùng một bầu trời đầy sao (trong một vũ trụ khác) qua cổ của một lỗ sâu đục (từ vũ trụ của chúng ta), thì hình ảnh của các ngôi sao này sẽ trông gần giống như được minh họa trong hình.

Việc du hành xuyên không gian và thời gian không chỉ có thể thực hiện được trong các bộ phim khoa học viễn tưởng và sách khoa học viễn tưởng, thêm một chút nữa là nó có thể trở thành hiện thực. Nhiều chuyên gia nổi tiếng và được kính trọng đang nghiên cứu các hiện tượng như lỗ sâu đục và đường hầm không-thời gian.

Lỗ sâu đục, theo định nghĩa của nhà vật lý Eric Davis, là một loại đường hầm vũ trụ, còn gọi là cổ họng, nối hai vùng xa nhau trong Vũ trụ hoặc hai Đại học khác nhau - nếu các Đại học khác tồn tại - hoặc hai khoảng thời gian khác nhau, hoặc các chiều không gian khác nhau. . Mặc dù thực tế là sự tồn tại của chúng chưa được chứng minh, các nhà khoa học đang nghiêm túc xem xét tất cả các cách khả thi để sử dụng lỗ sâu đục có thể đi qua, miễn là chúng tồn tại, để bao phủ khoảng cách với tốc độ ánh sáng và thậm chí du hành xuyên thời gian.

Trước khi sử dụng lỗ sâu đục, các nhà khoa học cần phải tìm ra chúng. Thật không may, ngày nay không có bằng chứng nào về sự tồn tại của lỗ sâu đục được phát hiện. Nhưng nếu chúng tồn tại, việc xác định vị trí của chúng có thể không khó khăn như thoạt nhìn.

Lỗ sâu đục là gì?

Ngày nay, có nhiều giả thuyết về nguồn gốc của lỗ sâu đục. Nhà toán học Ludwig Flamm, người sử dụng các phương trình tương đối của Albert Einstein, là người đầu tiên đặt ra thuật ngữ “lỗ sâu”, mô tả quá trình mà trọng lực có thể bẻ cong không gian thời gian liên quan đến kết cấu của thực tại vật lý, dẫn đến sự hình thành một đường hầm không-thời gian .

Ali Evgun, từ Đại học Đông Địa Trung Hải ở Cyprus, cho rằng các lỗ sâu đục xuất hiện ở những khu vực tích tụ vật chất tối dày đặc. Theo lý thuyết này, lỗ sâu đục có thể tồn tại ở các vùng bên ngoài của Dải Ngân hà, nơi có vật chất tối và trong các thiên hà khác. Về mặt toán học, ông đã có thể chứng minh rằng có tất cả các điều kiện cần thiết để xác nhận lý thuyết này.

Ali Evgun cho biết: “Trong tương lai, người ta có thể gián tiếp quan sát các thí nghiệm tương tự như trong phim Interstellar”.

Thorne và một số nhà khoa học khác kết luận rằng ngay cả khi một lỗ sâu nào đó hình thành do các yếu tố cần thiết, rất có thể nó sẽ sụp đổ trước khi bất kỳ vật thể hoặc con người nào đi qua nó. Để giữ cho lỗ sâu đục mở đủ lâu, cần phải có một lượng lớn cái gọi là “vật chất lạ”. Một dạng “vật chất kỳ lạ” tự nhiên là năng lượng tối, và Davis giải thích hành động của nó theo cách này: “áp suất dưới áp suất khí quyển tạo ra lực đẩy hấp dẫn, từ đó đẩy phần bên trong Vũ trụ của chúng ta ra ngoài, tạo ra sự giãn nở lạm phát của vũ trụ. Vũ trụ.”

Những vật chất kỳ lạ như vật chất tối có trong Vũ trụ nhiều gấp 5 lần so với vật chất thông thường. Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể phát hiện được các cụm vật chất tối hay năng lượng tối nên nhiều tính chất của chúng vẫn chưa được biết đến. Việc nghiên cứu các tính chất của chúng diễn ra thông qua việc nghiên cứu không gian xung quanh chúng.

Qua lỗ sâu xuyên thời gian - hiện thực?

Ý tưởng du hành thời gian khá phổ biến không chỉ trong giới nghiên cứu. Lý thuyết về lỗ sâu dựa trên cuộc hành trình của Alice qua tấm gương soi trong cuốn tiểu thuyết cùng tên của Lewis Carroll. Đường hầm không-thời gian là gì? Vùng không gian ở cuối đường hầm phải nổi bật so với khu vực xung quanh lối vào do sự biến dạng tương tự như sự phản chiếu trong gương cong. Một dấu hiệu khác có thể là sự chuyển động tập trung của ánh sáng truyền qua đường hầm lỗ sâu bằng các dòng không khí. Davis gọi hiện tượng ở đầu phía trên của lỗ sâu đục là “hiệu ứng cầu vồng ăn da”. Những hiệu ứng như vậy có thể được nhìn thấy từ xa. Davis cho biết: “Các nhà thiên văn học có kế hoạch sử dụng kính thiên văn để săn lùng những hiện tượng cầu vồng này, tìm kiếm một lỗ sâu đục tự nhiên hoặc thậm chí được tạo ra một cách bất thường, có thể đi qua được”. “Tôi chưa bao giờ nghe nói rằng dự án thực sự đã thành công.”

Là một phần trong nghiên cứu về lỗ sâu đục, Thorne đưa ra giả thuyết rằng lỗ sâu đục có thể được sử dụng như một cỗ máy thời gian. Các thí nghiệm tưởng tượng liên quan đến du hành thời gian thường gặp phải những nghịch lý. Có lẽ nổi tiếng nhất trong số đó là nghịch lý ông nội: Nếu một nhà nghiên cứu quay ngược thời gian và giết ông nội của mình thì người này sẽ không thể được sinh ra và do đó sẽ không bao giờ quay ngược thời gian. Mặc dù có thể không có cách nào quay trở lại du hành thời gian nhưng Davis cho biết công trình của Thorne đã mở ra những khả năng mới cho các nhà khoa học khám phá.

Phantom Link: Lỗ sâu và thế giới lượng tử

Davis nói: “Toàn bộ ngành công nghiệp vật lý lý thuyết phát triển từ các lý thuyết dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật không-thời gian khác tạo ra các nguyên nhân được mô tả của nghịch lý cỗ máy thời gian”. Bất chấp mọi thứ, khả năng sử dụng lỗ sâu đục để du hành thời gian thu hút cả những người hâm mộ khoa học viễn tưởng và những người muốn thay đổi quá khứ của mình. Davis tin rằng, dựa trên các lý thuyết hiện tại, để tạo ra cỗ máy thời gian từ lỗ sâu đục, các dòng chảy ở một hoặc cả hai đầu của đường hầm sẽ cần phải được tăng tốc lên tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

“Dựa trên điều này, sẽ cực kỳ khó để chế tạo một cỗ máy thời gian dựa trên lỗ sâu đục,” Davis nói. “So sánh, việc sử dụng lỗ sâu đục để du hành giữa các vì sao trong không gian sẽ dễ dàng hơn nhiều”.

Các nhà vật lý khác cho rằng việc du hành thời gian qua lỗ sâu đục có thể gây ra sự tích tụ năng lượng khổng lồ có thể phá hủy đường hầm trước khi nó có thể được sử dụng như một cỗ máy thời gian, một quá trình được gọi là phản ứng ngược lượng tử. Tuy nhiên, việc mơ về tiềm năng của lỗ sâu đục vẫn rất thú vị: “Hãy nghĩ về tất cả những khả năng mà con người sẽ có nếu họ phát hiện ra cách thực hiện những gì họ có thể làm nếu họ có thể du hành xuyên thời gian?”, Davis nói. “Ít nhất thì cuộc phiêu lưu của họ sẽ rất thú vị.”

HƠN bài viết tuyệt vời

Hình ảnh từ Trạm vũ trụ quốc tế cho thấy những vệt sáng màu cam trong bầu khí quyển Trái đất. Thí nghiệm sóng khí quyển mới của NASA sẽ quan sát hiện tượng này từ trạm quỹ đạo đến...

Cơ quan vũ trụ Nga Roscosmos đã ký thỏa thuận với công ty du lịch vũ trụ Space Adventures của Mỹ để đưa hai hành khách lên ISS vào năm 2021. Khác với những lần ra mắt trước, hai du khách này sẽ đi...

Các nhà nghiên cứu tin rằng những khối không khí nhỏ bé của Trái đất thoát vào không gian sâu vượt xa quỹ đạo của Mặt trăng. Hóa ra geocorona của Trái đất (một đám mây nhỏ gồm các nguyên tử hydro) kéo dài 630.000 km vào không gian. Để bạn hiểu, L...

Các nhà nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của gió mặt trời lên bề mặt Mặt Trăng tin rằng sự tiếp xúc này có thể tạo ra thành phần chủ yếu của nước. Nhân loại không thể tồn tại nếu không có nước, vì vậy về lâu dài sẽ xảy ra vấn đề nghiêm trọng...

Sau một năm ở ngoài vũ trụ, hệ thống miễn dịch của phi hành gia Scott Kelly đã gióng lên hồi chuông cảnh báo. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng một số gen của nó đã thay đổi hoạt động. Các nghiên cứu được trích dẫn khi so sánh phong độ với người anh em sinh đôi của mình...

Các nhà vật lý thiên văn chắc chắn rằng: có những đường hầm trong không gian mà qua đó bạn có thể di chuyển đến các Vũ trụ khác và thậm chí đến những thời điểm khác. Có lẽ chúng được hình thành khi Vũ trụ mới bắt đầu. Như các nhà khoa học nói, khi không gian “sôi sục” và cong lại.

Những “cỗ máy thời gian” vũ trụ này được đặt tên là “lỗ sâu đục”. Một “lỗ” khác với lỗ đen ở chỗ bạn không chỉ có thể đến đó mà còn có thể quay trở lại. Cỗ máy thời gian tồn tại. Và đây không còn là tuyên bố của các nhà văn khoa học viễn tưởng - bốn công thức toán học, cho đến nay về mặt lý thuyết chứng minh rằng bạn có thể di chuyển cả vào tương lai và quá khứ.

Và một mô hình máy tính. Đây gần giống như một “cỗ máy thời gian” trong không gian: hai lỗ hổng trong không gian và thời gian được nối với nhau bằng một hành lang.

“Trong trường hợp này chúng ta đang nói về những vật thể rất khác thường được phát hiện trong lý thuyết của Einstein. Theo lý thuyết này, trong một trường rất mạnh, không gian bị cong và thời gian xoắn hoặc chậm lại, đây là những đặc tính tuyệt vời,” Igor Novikov, phó giám đốc Trung tâm Vũ trụ của Viện Vật lý Lebedev giải thích.

Các nhà khoa học gọi những vật thể bất thường như vậy là “lỗ sâu đục”. Đây hoàn toàn không phải là một phát minh của con người; cho đến nay chỉ có thiên nhiên mới có khả năng tạo ra cỗ máy thời gian. Ngày nay, các nhà vật lý thiên văn chỉ mới chứng minh được sự tồn tại của “lỗ sâu” trong Vũ trụ. Đó là một vấn đề thực hành.

Việc tìm kiếm lỗ sâu đục là một trong những nhiệm vụ chính của thiên văn học hiện đại. “Họ bắt đầu nói về lỗ đen vào khoảng cuối những năm 60 và khi họ đưa ra những báo cáo này, nó có vẻ giống như khoa học viễn tưởng. Anatoly Cherepashchuk, giám đốc Viện Thiên văn học của Đại học Quốc gia Moscow mang tên Sternberg, cho biết đối với mọi người dường như đây hoàn toàn là một điều tưởng tượng - bây giờ nó đã hiện lên trên môi mọi người. - Vậy là hiện nay “lỗ sâu” cũng chỉ là khoa học viễn tưởng, tuy nhiên lý thuyết vẫn dự đoán rằng “lỗ sâu” có tồn tại. Tôi là người lạc quan và tôi nghĩ rằng một ngày nào đó các lỗ sâu đục cũng sẽ được mở ra.”

“Lỗ sâu” thuộc về một hiện tượng bí ẩn như “năng lượng tối”, chiếm tới 70% Vũ trụ. “Năng lượng tối hiện đã được phát hiện - đó là chân không có áp suất âm. Và về nguyên tắc, “lỗ sâu” có thể được hình thành từ trạng thái chân không,” Anatoly Cherepashchuk gợi ý. Một trong những môi trường sống của “lỗ sâu đục” là trung tâm các thiên hà. Nhưng điều quan trọng ở đây là đừng nhầm lẫn chúng với các lỗ đen, những vật thể khổng lồ cũng nằm ở trung tâm các thiên hà.

Khối lượng của chúng bằng hàng tỷ Mặt trời của chúng ta. Đồng thời, lỗ đen có lực hấp dẫn rất mạnh. Nó lớn đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi đó nên không thể nhìn thấy chúng bằng kính thiên văn thông thường. Lực hấp dẫn của lỗ sâu cũng rất lớn, nhưng nếu nhìn vào bên trong lỗ sâu, bạn có thể nhìn thấy ánh sáng của quá khứ.

Igor Novikov nói: “Ở trung tâm các thiên hà, trong lõi của chúng, có những vật thể rất nhỏ gọn, đây là những lỗ đen, nhưng người ta cho rằng một số lỗ đen này hoàn toàn không phải là lỗ đen mà là lối vào những “lỗ sâu” này. . Ngày nay, hơn ba trăm lỗ đen đã được phát hiện.

Từ Trái đất đến trung tâm dải Ngân hà của chúng ta là 25 nghìn năm ánh sáng. Nếu hóa ra lỗ đen này là một “lỗ sâu”, hành lang du hành thời gian thì loài người sẽ phải bay và bay tới đó.