Lubang cacing

Terowongan lewat ruang: bagaimana ia bisa dijaga tetap terbuka, dan seperti apa rupanya

Sebuah pengandaian: fisika mengizinkannya di atas kertas, tetapi belum ada yang pernah melihatnya. Semuanya mengikuti teori saat ini.

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Jalan pintas lewat ruang

Lubang cacing akan menjadi terowongan lewat ruang yang menghubungkan dua tempat berjauhan. Relativitas umum mengizinkan bentuknya, tetapi belum ada yang pernah melihatnya. Dari luar ia tampak seperti bola berisi langit lain.

Persamaan gravitasi Einstein tidak melarangnya. Pada 1935 Einstein dan Rosen menemukan sebuah “jembatan” yang menghubungkan dua wilayah ruang, dan pada 1957 Misner dan Wheeler menamai terowongan semacam itu lubang cacing, dari jalan pintas yang digerek cacing di dalam apel di antara dua titik di kulitnya.

Ini jenis paling sederhana yang bisa dilewati, ditemukan oleh Homer Ellis dan Kirill Bronnikov pada 1973. Ia punya bentuk tetapi tanpa tarikan: tak ada apa pun di dalamnya yang menyeret atau meregangkan Anda. Bagian tersempitnya, leher, berupa bola, dan di kedua sisi ruang terbuka datar.

Setiap sinar cahaya pada gambar ini diikuti melalui geometri lubang cacing, seperti kata relativitas umum. Lubang cacing itu sendiri adalah teori: tak ada yang terlihat di langit yang menunjukkan ia ada.

Dua mulut, satu leher

Gambar di sudut adalah trik yang umum. Untuk menunjukkan bagaimana ruang melengkung, satu arah dibuang dan sisanya digambar sebagai permukaan melengkung, tiap titiknya mewakili lingkaran ruang. Permukaan lubang cacing ini adalah katenoid, bentuk selaput sabun di antara dua cincin: paling sempit di tengah, melebar ke ruang datar di kedua sisi.

Titik emas itu Anda. Arah tambahan hanyalah bantuan menggambar; tak ada dalam teori yang mengharuskan ruang melengkung ke sana. Satu angka menentukan ukuran lubang cacing, jari-jari lehernya, dan dari situ ditentukan bagaimana segala hal lain tampak. Kip Thorne dan Christopher Nolan memilih 1 km untuk milik Interstellar.

Jauh dari leher, terowongan hampir tak berpengaruh: sebuah bola di sana luasnya hampir sama dengan di ruang datar. Karena itu, dari jauh, tiap ujung tampak seperti ruang biasa dengan lubang bundar.

Apa yang menjaganya tetap terbuka

Jika dibiarkan, terowongan seperti ini akan menutup sebelum apa pun sempat melewatinya. Morris dan Thorne menunjukkan pada 1988 bahwa hanya materi berenergi negatif yang dapat menjaganya terbuka. Ia digambar dengan warna ungu.

Materi biasa membuat gravitasi menarik. Untuk menjaga leher tetap terbuka, gravitasi di sana harus mendorong keluar, dan itu memerlukan materi berenergi di bawah nol, disebut materi eksotis. Ia harus mengisi ruang di sekitar leher, paling rapat di tengah dan menipis seiring jarak.

Terowongan pertama yang ditemukan, jembatan Einstein–Rosen, sebenarnya lubang hitam yang dilihat dari kedua sisi, dan ia menutup lebih cepat daripada yang bisa dilintasi cahaya, seperti ditunjukkan Fuller dan Wheeler pada 1962. Morris dan Thorne membalik masalahnya pada 1988: pilih terowongan yang diinginkan, lalu hitung apa yang harus mengisinya.

Pertanyaannya datang dari sebuah novel. Carl Sagan, saat menulis Contact, meminta Thorne sebuah cara agar tokoh utamanya bisa melintasi galaksi tanpa melanggar fisika, dan Thorne serta mahasiswanya Mike Morris menjawab dengan lubang cacing. Cahaya ungu itu digambar: tak seorang pun tahu bagaimana materi semacam itu akan tertata.

Energi negatif

Pada 1948 Hendrik Casimir memprediksi bahwa dua pelat logam tak bermuatan yang sangat berdekatan dalam vakum akan saling terdorong karena cara keduanya mengubah fluktuasi kuantum vakum. Di antaranya kerapatan energi berada di bawah nol. Lamoreaux mengukur dorongan itu pada 1997, dan Mohideen serta Roy pada 1998 dengan ketelitian satu persen.

Ia nyata, tetapi kecil. Pada celah satu mikrometer kerapatannya sekitar −4 × 10⁻⁴ joule per meter kubik. Lubang cacing berjari-jari 1 km membutuhkan sekitar −5 × 10³⁶ di lehernya, dan seluruhnya sekitar satu massa Matahari energi negatif: kira-kira massa satu Jupiter untuk setiap meter jari-jari leher.

Teori kuantum juga membatasi berapa banyak energi negatif yang bisa dikumpulkan dan untuk berapa lama, seperti ditunjukkan Ford dan Roman pada 1990-an. Apakah alam mengizinkan materi ditata seperti ini tidak diketahui, dan bisa saja alam melarangnya.

Menumbuhkan leher

Wheeler mengusulkan bahwa pada ukuran terkecil, dekat panjang Planck 1,6 × 10⁻³⁵ m, ruang tidak halus tetapi berbuih, dengan gelembung dan pegangan yang terus membuka dan menutup. Sebagian pegangan itu adalah lubang cacing, terlalu kecil untuk berarti dan lenyap seketika.

Morris dan Thorne, dan kemudian Matt Visser, bertanya-tanya apakah peradaban jauh melampaui kita dapat menangkap satu dan mengembungkannya. Tak ada proses yang diketahui yang melakukannya. Gagasan yang lebih baru, ER=EPR (Maldacena dan Susskind, 2013), mengatakan dua partikel yang saling terjerat dihubungkan oleh lubang cacing mungil; itu dugaan, bukan hasil.

Pada 2022 komputer kuantum Google menjalankan model perilaku lubang cacing (Jafferis dkk., di Nature): sinyal yang dimasukkan di satu ujung keluar di ujung lain, seperti kata teori. Tetapi itu simulasi pada beberapa qubit dari mainan sederhana gravitasi kuantum. Tak ada ruang yang ditembus.

Resepnya, berurutan

1. Tangkap lubang cacing mungil. Pada panjang Planck, 1,6 × 10⁻³⁵ meter, ruang mungkin berbusa dengan pegangan-pegangan mungil, seperti dugaan Wheeler tahun 1955, atau partikel yang terjerat mungkin dihubungkan oleh lubang cacing (ER=EPR, 2013). Tak ada yang menunjukkan salah satunya adalah sesuatu yang bisa digenggam.

3. Isi dengan materi eksotis. Leher butuh sekitar massa satu Matahari berupa energi negatif, sebagian besar di sekeliling leher: sekitar 10⁴⁰ kali kerapatan efek Casimir, dalam susunan yang tak diambil materi apa pun yang kita kenal.

4. Jaga tetap mantap. Shinkai dan Hayward menunjukkan pada 2002 bahwa leher yang terganggu runtuh menjadi lubang hitam atau meledak mengembang, jadi ia butuh kendali aktif. Tiap langkah adalah tuntutan matematika, bukan mesin.

Seperti apa rupanya

Dari luar ia akan tampak sebagai bola langit dari tempat lain. Ia tak punya massa yang menarik, tetapi bentuknya membelokkan cahaya: bintang di belakangnya terdorong menjauh, dan di tepinya langit jauh terhimpit menjadi cincin tipis yang terang.

Cahaya mengambil jalur terpendek lewat ruang lengkung. Sinar yang diarahkan ke tengah leher lewat lurus; yang hanya menyerempet tepinya dibelokkan mengitarinya, dan sebagian berputar berkali-kali sebelum pergi. Gambar ini mengikuti setiap sinar seperti kata relativitas umum. Tim di balik Interstellar melakukan hal yang sama (James dkk., 2015).

Energi negatif lubang cacing akan bertindak sebagai lensa yang mendorong cahaya menjauh. Pada 1995 Cramer dan rekan mengusulkan bahwa satu yang lewat di depan bintang jauh akan membuatnya menerang dengan pola yang tak dihasilkan massa biasa. Pencarian tak menemukan apa pun.

Langit yang lain digambar: ujung itu bisa terbuka di mana saja. Di sini ia galaksi lain, agar kedua langit bisa dibedakan.

Terbang melewatinya

Bidik tengahnya dan Anda lewat lurus. Di depan, bola langit yang lain membuka hingga ada di mana-mana. Di leher, separuh langit di sekitar Anda adalah masing-masing tempat. Tak ada yang menarik Anda.

Di lubang cacing ini tak ada yang menyeret Anda: nyaris tak ada gravitasi, dan tak ada pasang surut yang meregangkan Anda di dekat lubang hitam. Yang Anda sadari hanya langit yang berubah. Leher adalah tempat pandangan terbelah: separuhnya tempat yang Anda tinggalkan, separuhnya tempat yang Anda tuju.

Perhatikan tepi bola saat Anda mendekat. Cahaya yang menyerempet leher mengelilinginya beberapa kali sebelum sampai ke Anda, sehingga cincin bintang yang sama berulang, makin tipis, satu di dalam yang lain. Penerbangan di sini dipercepat.

Dengan kecepatan pesawat jet, sekitar 250 meter per detik, Anda menempuh kilometer terakhir sebelum leher dalam empat detik. Lintasan itu terasa lebih seperti pergantian adegan daripada jatuh.

Sisi lain

Keluar dari ujung jauh, berbaliklah: tempat asal Anda kini bola langit di belakang Anda. Lubang cacing punya dua mulut, dan masing-masing tampak sama dari sisinya.

Mulut jauh sama bulat dan sama kecil. Dilihat darinya, mulut yang Anda tinggalkan adalah bola berisi sepotong langit kita, dibengkokkan sama. Tak ada yang memberi tahu ujung mana yang mana.

Di mana mulut jauh berada adalah urusan lubang cacing itu sendiri. Bisa di sebelah, di seberang galaksi, atau seperti dibayangkan sebagian orang, di alam semesta lain: persamaan tak mengatakannya. Itulah intinya. Jarak sepanjang terowongan tak ada hubungannya dengan jarak di luar, sehingga terowongan pendek dapat menghubungkan tempat yang berjarak tahun cahaya.

Mesin waktu?

Bawa satu mulut dalam perjalanan pergi-pulang yang cepat dan jamnya tertinggal dari yang lain; melewatinya, Anda keluar lebih awal. Morris, Thorne, dan Yurtsever menunjukkannya pada 1988. Hawking berpendapat pada 1992 bahwa alam mencegahnya.

Waktu berjalan lebih lambat bagi sesuatu yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Bawa satu mulut dalam perjalanan pergi-pulang yang cepat dan kembalikan di samping yang lain, dan jam keduanya kini berbeda sebesar waktu yang dihemat perjalanan itu. Mulut-mulut itu berada di waktu berbeda tetapi di tempat yang sama.

Masuk lewat mulut yang lebih akhir dan Anda keluar dari yang lebih awal: jalan mundur dalam waktu, dan lingkaran tempat Anda bisa bertemu diri sendiri. Itulah kurva tertutup mirip-waktu, yang dibutuhkan cerita perjalanan waktu. Morris, Thorne, dan Yurtsever menunjukkan pada 1988 bahwa lubang cacing, sekali dibuat, dapat diubah menjadi satu.

Stephen Hawking mengusulkan pada 1992 dugaan perlindungan kronologinya: fluktuasi kuantum vakum akan menumpuk tepat saat mesin itu menjadi mungkin, tumbuh tanpa batas, dan menghancurkan lubang cacing lebih dulu. Perhitungan sejauh ini sejalan, tetapi belum ada bukti lengkap.

Adakah yang pernah melihatnya?

Tidak. Lubang cacing telah dicari di cahaya bintang, di gelombang gravitasi, dan di dekat lubang hitam galaksi kita, dan setiap pencarian kembali dengan tangan kosong. Ia tetap gagasan yang diizinkan relativitas umum, bukan sesuatu yang kita tahu ada.

Pencarian pelensaan tak menemukan bintang yang menerang seperti seharusnya oleh lubang cacing. Saat dua lubang hitam bergabung, lubang cacing di tempatnya akan mengirim gema gelombang gravitasi; pencarian dalam data LIGO, Virgo, dan KAGRA tak menemukan tanda yang meyakinkan.

Gambar lubang hitam di M87 dan di galaksi kita sendiri, yang dibuat Event Horizon Telescope, sesuai dengan lubang hitam. Belum bisa menyingkirkan setiap alternatif, tetapi tak ada di dalamnya yang membutuhkan lubang cacing.

Jadi lubang cacing tetap di tempat ia bermula, dalam persamaan. Apa yang telah diajarkannya tetap nyata: bagaimana ruang dapat dibentuk, dan seberapa banyak yang mungkin tertahan oleh kebutuhan akan energi negatif.