Solucan deliği

Uzayda bir tünel: nasıl açık tutulabileceği ve neye benzeyeceği

Bir varsayım: fizik kâğıt üzerinde izin veriyor ama kimse görmedi. Gösterilen her şey bugünkü teoriye uyar.

Adım adım

Uzayda bir kestirme

Bir solucan deliği, uzayda iki uzak yeri birleştiren bir tünel olurdu. Genel görelilik biçime izin verir ama kimse hiç görmedi. Dışarıdan içinde başka bir gökyüzü olan bir küreye benzerdi.

Einstein'ın kütleçekim denklemleri buna engel olmaz. 1935'te Einstein ve Rosen uzayın iki bölgesini birleştiren bir “köprü” buldu, 1957'de Misner ve Wheeler bu tünellere solucan deliği adını verdi; bir solucanın elmanın kabuğundaki iki nokta arasında açtığı kestirmeden yola çıkarak.

Bu, içinden geçilebilecek en basit türdür; Homer Ellis ve Kirill Bronnikov 1973'te buldu. Bir biçimi var ama çekimi yok: içindeki hiçbir şey sizi sürüklemez ya da germez. En dar yeri olan boğaz bir küredir ve iki yanda uzay düz olarak açılır.

Bu görüntüdeki her ışık ışını, genel göreliliğin dediği gibi, solucan deliğinin geometrisi boyunca izlenir. Solucan deliğinin kendisi kuramdır: gökyüzünde görülen hiçbir şey birinin var olduğunu göstermez.

İki ağız, bir boğaz

Köşedeki resim yaygın bir hiledir. Uzayın nasıl eğrildiğini göstermek için bir yön atılır, kalanı eğri bir yüzey olarak çizilir; yüzeyin her noktası uzayda bir çemberi temsil eder. Bu solucan deliğinin yüzeyi bir katenoiddir, iki halka arasındaki sabun zarının aldığı biçim: ortada en dar, iki yana doğru düz uzaya açılan.

Altın nokta sizsiniz. Fazladan yön yalnızca bir çizim yardımıdır; kuramda hiçbir şey uzayın ona doğru eğrilmesini gerektirmez. Tek bir sayı solucan deliğinin boyutunu belirler, boğazının yarıçapını, ve her şeyin nasıl göründüğü ona bağlıdır. Kip Thorne ve Christopher Nolan Interstellar'ınki için 1 km seçti.

Boğazdan uzakta tünelin neredeyse hiç etkisi yoktur: orada bir kürenin alanı düz uzaydakine yakındır. Bu yüzden uzaktan bakınca her uç, yuvarlak bir deliği olan sıradan uzaya benzer.

Onu açık tutan şey

Kendi haline bırakılırsa böyle bir tünel, hiçbir şey geçemeden kapanırdı. Morris ve Thorne 1988'de onu ancak negatif enerjili maddenin açık tutabileceğini gösterdi. Mor renkle çizilmiştir.

Sıradan madde kütleçekimini çeken yapar. Bir boğazı açık tutmak için orada kütleçekiminin dışarı itmesi gerekir, bu da enerjisi sıfırın altında olan, egzotik denen bir madde ister. Boğazın çevresindeki uzayı doldurması, ortada en yoğun olması ve uzaklaştıkça seyrelmesi gerekirdi.

Bulunan ilk tüneller, Einstein–Rosen köprüleri, aslında iki yandan görülen kara deliklerdir ve Fuller ile Wheeler'ın 1962'de gösterdiği gibi ışığın geçebileceğinden daha hızlı kapanırlar. Morris ve Thorne 1988'de sorunu tersine çevirdi: istediğiniz tüneli seçin, sonra onu neyin doldurması gerektiğini hesaplayın.

Soru bir romandan geldi. Carl Sagan, Contact'ı yazarken Thorne'dan kahramanının fiziği bozmadan galaksiyi geçebilmesi için bir yol istedi; Thorne ve öğrencisi Mike Morris solucan delikleriyle yanıt verdi. Mor parıltı çizilmiştir: böyle bir maddenin nasıl düzenleneceğini kimse bilmiyor.

Negatif enerji

1948'de Hendrik Casimir, boşlukta birbirine çok yakın duran iki yüksüz metal levhanın, boşluğun kuantum dalgalanmalarını değiştirmeleri yüzünden birbirine doğru itileceğini öngördü. Aralarında enerji yoğunluğu sıfırın altındadır. Lamoreaux itmeyi 1997'de, Mohideen ve Roy 1998'de yüzde bir içinde ölçtü.

Gerçek ama çok küçük. Bir mikrometrelik aralıkta yoğunluk metreküp başına yaklaşık −4 × 10⁻⁴ jul. 1 km yarıçaplı bir solucan deliği boğazında yaklaşık −5 × 10³⁶, toplamda yaklaşık bir Güneş kütlesi negatif enerji isterdi: boğaz yarıçapının her metresi için kabaca bir Jüpiter kütlesi.

Kuantum kuramı ayrıca ne kadar negatif enerjinin ve ne kadar süre toplanabileceğini sınırlar; Ford ve Roman bunu 1990'larda gösterdi. Doğanın maddeyi böyle düzenlemeye izin verip vermediği bilinmiyor, belki de bunu yasaklıyordur.

Bir boğazı büyütmek

Wheeler, en küçük boyutlarda, 1,6 × 10⁻³⁵ m'lik Planck uzunluğu civarında, uzayın pürüzsüz olmadığını, sürekli açılıp kapanan kabarcıklar ve kulplarla köpürdüğünü öne sürdü. Bu kulpların bir kısmı solucan delikleri olurdu; önemli olamayacak kadar küçük ve bir anda yok olurlardı.

Morris ve Thorne, sonra Matt Visser, bizimkinden çok ileri bir uygarlığın birini yakalayıp şişirip şişiremeyeceğini merak etti. Bilinen hiçbir süreç bunu yapmaz. ER=EPR denen daha yeni bir fikir (Maldacena ve Susskind, 2013), birbiriyle dolanık iki parçacığın minik bir solucan deliğiyle birleştiğini söyler; bu bir sonuç değil, bir sanıdır.

2022'de Google'ın kuantum bilgisayarı bir solucan deliğinin davranışının modelini çalıştırdı (Jafferis ve arkadaşları, Nature'da): bir uçtan verilen sinyal, kuramın dediği gibi, öbür uçtan çıktı. Ama bu, kuantum kütleçekiminin basitleştirilmiş bir oyuncağının birkaç kübit üzerinde simülasyonuydu. Hiçbir uzay delinmedi.

Tarif, sırasıyla

1. Minicik bir solucan deliği yakala. Planck uzunluğunda, 1,6 × 10⁻³⁵ metrede, uzay Wheeler'ın 1955'te sandığı gibi minicik kulplarla köpürüyor olabilir ya da dolaşık parçacıklar solucan delikleriyle bağlı olabilir (ER=EPR, 2013). Hiçbir şey bunlardan birinin tutulabilecek bir şey olduğunu göstermez.

3. Onu egzotik maddeyle doldur. Boğaz, çoğu boğazın çevresinde olmak üzere yaklaşık bir Güneş kütlesi kadar negatif enerji ister: Casimir etkisinin yoğunluğunun yaklaşık 10⁴⁰ katı, bilinen hiçbir maddenin almadığı bir düzende.

4. Onu sabit tut. Shinkai ve Hayward 2002'de bozulmuş bir boğazın ya bir kara deliğe çöktüğünü ya da patladığını gösterdi, yani etkin denetim gerekirdi. Her adım matematiğin bir gereğidir, bir makine değil.

Neye benzeyeceği

Dışarıdan başka bir yerin gökyüzünden bir küre olurdu. Çekecek kütlesi yok ama biçimi ışığı büker: arkasındaki yıldızlar birbirinden itilir, kenarında uzak gökyüzü ince parlak halkalara sıkışır.

Işık eğri uzayda en kısa yolları izler. Boğazın ortasına yönelen bir ışın dosdoğru geçer; kenarı yalnızca sıyıran bir ışın etrafında bükülür, bazıları ayrılmadan önce defalarca dolanır. Bu görüntü her ışını genel göreliliğin dediği gibi izler. Interstellar'ın ekibi de aynısını yaptı (James ve arkadaşları, 2015).

Solucan deliğinin negatif enerjisi ışığı iteleyen bir mercek gibi davranırdı. 1995'te Cramer ve arkadaşları, uzak bir yıldızın önünden geçen birinin onu hiçbir sıradan kütlenin oluşturmadığı bir örüntüyle parlatacağını öne sürdü. Aramalar hiçbir şey bulmadı.

Öbür gökyüzü çizilmiştir: o uç her yerde açılabilir. Burada başka bir galaksidir, iki gökyüzü ayırt edilebilsin diye.

İçinden uçmak

Ortaya nişan alın, dosdoğru geçersiniz. İleride öbür gökyüzünün küresi her yeri kaplayana dek açılır. Boğazda çevrenizdeki gökyüzünün yarısı bir yer, yarısı öbürüdür. Hiçbir şey sizi çekmez.

Bu solucan deliğinde hiçbir şey sizi sürüklemez: sözünü etmeye değer bir kütleçekimi yok, bir kara delik yakınında sizi gerecek gelgitler de yok. Yalnızca gökyüzünün değiştiğini fark edersiniz. Boğaz, görüntünün ikiye ayrıldığı yerdir: yarısı geride bıraktığınız yer, yarısı gittiğiniz yer.

Yaklaşırken kürenin kenarını izleyin. Boğazı sıyıran ışık size ulaşmadan önce onun çevresinde birkaç kez döner; böylece aynı yıldızların halkaları, giderek incelerek, birbirinin içinde yinelenir. Buradaki uçuş hızlandırılmıştır.

Bir yolcu uçağının hızıyla, saniyede yaklaşık 250 metreyle, boğazdan önceki son kilometreyi dört saniyede alırdınız. Geçiş bir düşüşten çok bir sahne değişikliği gibi hissettirir.

Öbür taraf

Uzak uçtan çıkınca dönüp bakın: geldiğiniz yer artık arkanızda bir gökyüzü küresi. Bir solucan deliğinin iki ağzı vardır ve her biri kendi tarafından aynı görünür.

Uzak ağız da aynı yuvarlaklıkta ve aynı küçüklüktedir. Ondan bakınca, geride bıraktığınız ağız, aynı biçimde bükülmüş, bizim gökyüzümüzden bir parça tutan bir küredir. Hangi ucun hangisi olduğunu hiçbir şey söylemez.

Uzak ağzın nerede olduğu solucan deliğinin kendi işidir. Yan odada, galaksinin öbür ucunda ya da bazılarının hayal ettiği gibi başka bir evrende olabilir: denklemler söylemez. Fikrin özü budur. Tünel boyunca uzaklığın dışarıdaki uzaklıkla ilgisi yoktur; kısa bir tünel ışık yılı uzaklıktaki yerleri birleştirebilir.

Bir zaman makinesi mi?

Bir ağzı hızlı bir gidiş-dönüş yolculuğuna çıkarın, saati öbürününkinden geri kalır; içinden geçerseniz daha erken bir zamana çıkarsınız. Morris, Thorne ve Yurtsever bunu 1988'de gösterdi. Hawking 1992'de doğanın buna engel olduğunu savundu.

Işık hızına yakın hareket eden şey için zaman daha yavaş akar. Bir ağzı hızlı bir gidiş-dönüşe çıkarıp öbürünün yanına geri getirirseniz, saatleri artık yolculuğun kazandırdığı zaman kadar birbirinden ayrılır. Ağızlar farklı zamanlarda ama aynı yerdedir.

Geç ağızdan girerseniz erken olandan çıkarsınız: zamanda geriye bir yol ve kendinizle karşılaşabileceğiniz bir döngü. Bu, zaman yolculuğu öykülerinin gereksindiği şey olan kapalı zamansı eğridir. Morris, Thorne ve Yurtsever 1988'de bir solucan deliğinin, bir kez yapıldıktan sonra, ona dönüştürülebileceğine dikkat çekti.

Stephen Hawking 1992'de kronoloji koruma sanısını öne sürdü: boşluğun kuantum dalgalanmaları makine mümkün olur olmaz birikir, sınırsız büyür ve önce solucan deliğini yok ederdi. Şimdiye kadarki hesaplar bununla uyumlu ama kimsenin tam bir kanıtı yok.

Hiç biri görüldü mü?

Hayır. Solucan delikleri yıldız ışığında, kütleçekim dalgalarında ve galaksimizin kara deliğinin yakınında arandı ve her arama eli boş döndü. Genel görelilik izin veren bir fikir olarak kalıyor, var olduğunu bildiğimiz bir şey olarak değil.

Merceklenme aramaları, bir solucan deliğinin yapması gerektiği gibi parlayan hiçbir yıldız bulmadı. İki kara delik birleştiğinde, yerlerindeki bir solucan deliği kütleçekim dalgası yankıları gönderirdi; LIGO, Virgo ve KAGRA verilerindeki aramalar buna dair ikna edici bir işaret bulmadı.

Event Horizon Telescope'un çektiği M87'deki ve kendi galaksimizdeki kara deliklerin görüntüleri kara deliklerle uyumludur. Henüz her seçeneği dışlayamazlar ama içlerindeki hiçbir şey solucan deliği gerektirmez.

Yani bir solucan deliği başladığı yerde, denklemlerde kalıyor. Bize öğrettikleri yine de gerçek: uzayın nasıl biçimlenebileceği ve olabilirin ne kadarının negatif enerji ihtiyacıyla tutulduğu.