Chuvalchang tuynugi

Fazo boʻylab tunnel: uni qanday ochiq ushlab turish mumkin va u qanday koʻrinadi

Faraz: fizika qogʻozda bunga yoʻl qoʻyadi, lekin hech kim koʻrmagan. Hammasi bugungi nazariyaga muvofiq.

Qadamma-qadam

Fazo boʻylab qisqa yoʻl

Chuvalchang tuynugi fazo boʻylab ikki uzoq joyni tutashtiruvchi tunnel boʻlardi. Umumiy nisbiylik bunday shaklga ruxsat beradi, ammo hech kim birortasini koʻrmagan. Tashqaridan u ichida boshqa osmon bor shar kabi koʻrinardi.

Eynshteynning tortishish tenglamalari uni taqiqlamaydi. 1935-yilda Eynshteyn va Rozen fazoning ikki sohasini tutashtiruvchi «koʻprik»ni topdi, 1957-yilda Misner va Uiler bunday tunnellarni chuvalchang tuynuklari deb atadi — chuvalchang olma poʻstlogʻidagi ikki nuqta orasida ochadigan qisqa yoʻlga qarab.

Bu oʻtib boʻladigan eng oddiy turi boʻlib, uni 1973-yilda Homer Ellis va Kirill Bronnikov topgan. Uning shakli bor, lekin tortishi yoʻq: ichidagi hech narsa sizni sudramaydi yoki choʻzmaydi. Eng tor qismi — boʻgʻiz — sharsimon, ikki tomonda esa fazo tekis ochiladi.

Bu rasmdagi har bir yorugʻlik nuri umumiy nisbiylik aytganidek chuvalchang tuynugining geometriyasi boʻylab kuzatilgan. Chuvalchang tuynugining oʻzi nazariya: osmonda koʻringan hech narsa uning mavjudligini koʻrsatmaydi.

Ikki ogʻiz, bitta boʻgʻiz

Burchakdagi rasm keng tarqalgan usul. Fazo qanday egilishini koʻrsatish uchun bitta yoʻnalish tashlab yuboriladi, qolgani egri sirt sifatida chiziladi, uning har bir nuqtasi fazoning bitta aylanasini bildiradi. Bu chuvalchang tuynugining sirti katenoid — ikki halqa orasida sovun pardasi oladigan shakl: oʻrtada eng tor, ikki tomonda tekis fazoga kengayib boradi.

Oltin nuqta — siz. Qoʻshimcha yoʻnalish faqat chizishga yordam; nazariyada hech narsa fazoning unga egilishini talab qilmaydi. Bitta son chuvalchang tuynugining oʻlchamini, boʻgʻizining radiusini belgilaydi va boshqa hamma narsaning qanday koʻrinishini u hal qiladi. Kip Thorne va Kristofer Nolan «Interstellar»nikiga 1 km tanladi.

Boʻgʻizdan uzoqda tunnelning taʼsiri deyarli yoʻq: u yerda shar yuzi tekis fazodagiga yaqin. Shuning uchun uzoqdan har bir uch yumaloq teshigi bor oddiy fazoga oʻxshaydi.

Uni nima ochiq ushlab turadi

Oʻz holiga qoʻyilsa, bunday tunnel hech narsa oʻtib ulgurmasidan yopilib qolardi. Morris va Thorne 1988-yilda uni faqat manfiy energiyali materiya ochiq ushlab turishi mumkinligini koʻrsatdi. U binafsha rangda chizilgan.

Oddiy materiya tortishishni tortadigan qiladi. Boʻgʻizni ochiq ushlab turish uchun u yerda tortishish tashqariga itarishi kerak, buning uchun energiyasi noldan past materiya kerak, uni ekzotik materiya deyiladi. U boʻgʻiz atrofidagi fazoni toʻldirishi, oʻrtada eng zich boʻlib, masofa bilan siyraklashishi kerak edi.

Topilgan dastlabki tunnellar — Eynshteyn–Rozen koʻpriklari — aslida ikki tomondan koʻrilgan qora tuynuklar boʻlib, Fuller va Uiler 1962-yilda koʻrsatganidek, ular yorugʻlik oʻtib ulguradigandan tezroq yopiladi. Morris va Thorne 1988-yilda masalani teskari qildi: kerakli tunnelni tanlash, soʻng uni nima toʻldirishi kerakligini hisoblash.

Savol romandan kelgan. Karl Sagan «Aloqa»ni yozayotib, Thornedan qahramoni fizikani buzmasdan galaktikani kesib oʻtishi uchun yoʻl soʻradi, Thorne va uning talabasi Mayk Morris chuvalchang tuynuklari bilan javob berdi. Binafsha nur chizilgan: bunday materiya qanday joylashishini hech kim bilmaydi.

Manfiy energiya

1948-yilda Hendrik Kazimir vakuumda bir-biriga juda yaqin turgan ikki zaryadsiz metall plastina vakuumning kvant tebranishlarini oʻzgartirishi tufayli bir-biriga itarilishini bashorat qildi. Ular orasida energiya zichligi noldan past. Lamoreaux itarilishni 1997-yilda, Mohideen va Roy 1998-yilda bir foiz aniqlikda oʻlchadi.

U haqiqiy, ammo juda kichik. Bir mikrometr oraliqda zichlik kub metriga taxminan −4 × 10⁻⁴ joul. Radiusi 1 km boʻlgan chuvalchang tuynugiga boʻgʻizida taxminan −5 × 10³⁶, jami esa taxminan bitta Quyosh massasicha manfiy energiya kerak boʻlardi: boʻgʻiz radiusining har bir metriga taxminan bitta Yupiter massasi.

Kvant nazariyasi yana qancha manfiy energiyani va qancha vaqtga yigʻish mumkinligini cheklaydi, Ford va Roman buni 1990-yillarda koʻrsatgan. Tabiat materiyani shunday joylashtirishga ruxsat beradimi-yoʻqmi nomaʼlum, u buni oddiygina taqiqlab qoʻyishi ham mumkin.

Boʻgʻizni oʻstirish

Uiler eng kichik oʻlchamlarda, Plank uzunligi 1,6 × 10⁻³⁵ m atrofida, fazo silliq emas, balki koʻpiradi, deb taklif qildi: pufaklar va dastalar tinmay ochilib-yopiladi. Bu dastalarning ayrimlari chuvalchang tuynuklari boʻlardi, ahamiyatga ega boʻlmaydigan darajada kichik va bir lahzada yoʻqoladigan.

Morris va Thorne, keyinroq Mett Visser bizdan ancha ilgʻor tsivilizatsiya birini tutib, shishira olarmikin, deb oʻylagan. Hech bir maʼlum jarayon buni qilmaydi. ER=EPR deb ataladigan yangiroq gʻoya (Maldasena va Sasskind, 2013) bir-biriga chalkashgan ikki zarra mitti chuvalchang tuynugi bilan tutashgan, deydi; bu natija emas, farazdir.

2022-yilda Google kvant kompyuteri chuvalchang tuynugi xatti-harakati modelini bajardi (Jafferis va boshqalar, Natureʼda): bir uchiga berilgan signal nazariya aytganidek narigi uchidan chiqdi. Lekin bu kvant tortishishning soddalashtirilgan oʻyinchogʻining bir necha kubitdagi simulyatsiyasi edi. Hech qanday fazo teshilmadi.

Retsept, tartib bilan

1. Kichkina chuvalchang tuynugini tutish. Plank uzunligida, 1,6 × 10⁻³⁵ metrda, fazo Uiler 1955-yilda taxmin qilganidek kichkina tutqichlar bilan koʻpiklanishi mumkin, yoki chalkashgan zarralar chuvalchang tuynuklari bilan bogʻlangan boʻlishi mumkin (ER=EPR, 2013). Hech narsa ulardan biri ushlab olish mumkin narsa ekanini koʻrsatmaydi.

3. Uni ekzotik materiya bilan toʻldirish. Boʻgʻizga taxminan bitta Quyosh massasicha manfiy energiya kerak, asosan boʻgʻiz atrofida: Kazimir effekti zichligidan taxminan 10⁴⁰ marta ortiq, hech bir maʼlum materiya olmaydigan joylashuvda.

4. Uni barqaror ushlash. Shinkai va Xeyvard 2002-yilda bezovta qilingan boʻgʻiz yo qora tuynukka qulashini yoki portlab kengayishini koʻrsatishdi, shuning uchun faol boshqaruv kerak boʻlardi. Har bir qadam matematikaning talabi, mashina emas.

U qanday koʻrinardi

Tashqaridan u boshqa joyning osmonidan iborat shar boʻlardi. Uning tortadigan massasi yoʻq, lekin shakli yorugʻlikni buradi: orqasidagi yulduzlar bir-biridan itariladi, chetida esa uzoq osmon ingichka yorqin halqalarga siqiladi.

Yorugʻlik egri fazoda eng qisqa yoʻllardan boradi. Boʻgʻizning oʻrtasiga qaratilgan nur toʻgʻri oʻtib ketadi; chetni faqat sirgʻalib oʻtgan nur uning atrofida buriladi, ayrimlari ketishdan oldin aylanib-aylanib chiqadi. Bu rasm har bir nurni umumiy nisbiylik aytganidek kuzatadi. «Interstellar» jamoasi ham shunday qilgan (James va boshqalar, 2015).

Chuvalchang tuynugining manfiy energiyasi yorugʻlikni itaradigan linza kabi ishlardi. 1995-yilda Kramer va hamkasblari uzoq yulduz oldidan oʻtayotgan bittasi uni hech bir oddiy massa hosil qilmaydigan tarzda yorqinlashtirishini taklif qildi. Qidiruvlar hech narsa topmadi.

Narigi osmon chizilgan: u uch istalgan joyda ochilishi mumkin. Bu yerda u boshqa galaktika, ikki osmonni ajratish uchun.

Undan uchib oʻtish

Oʻrtasiga moʻljallang va toʻgʻri oʻtib ketasiz. Oldinda narigi osmon shari hamma yoqni egallaguncha ochiladi. Boʻgʻizda atrofingizdagi osmonning yarmi bir joy, yarmi boshqasi. Sizni hech narsa tortmaydi.

Bu chuvalchang tuynugida sizni hech narsa sudramaydi: unda deyarli tortishish yoʻq, qora tuynuk yonida sizni choʻzadigan qarama-qarshi kuchlar ham yoʻq. Faqat osmonning oʻzgarishini sezasiz. Boʻgʻiz koʻrinish ikkiga boʻlinadigan joy: yarmi siz tark etgan joy, yarmi borayotgan joyingiz.

Yaqinlashayotganda sharning chetiga qarang. Boʻgʻizni sirgʻalib oʻtgan yorugʻlik sizga yetib kelguncha uning atrofida bir necha marta aylanadi, shuning uchun oʻsha yulduzlarning halqalari tobora ingichkalashib, biri ikkinchisining ichida takrorlanadi. Bu yerdagi parvoz tezlashtirilgan.

Yoʻlovchi samolyoti tezligida, sekundiga taxminan 250 metr, boʻgʻizgacha oxirgi kilometrni toʻrt soniyada bosib oʻtardingiz. Oʻtish yiqilishdan koʻra sahna almashishiga oʻxshaydi.

Narigi tomon

Uzoq uchidan chiqib, orqangizga oʻgiriling: kelgan joyingiz endi orqangizdagi osmon shari. Chuvalchang tuynugining ikki ogʻzi bor va har biri oʻz tomonidan bir xil koʻrinadi.

Uzoq ogʻiz ham shunday yumaloq va shunday kichik. Undan qaralsa, siz tark etgan ogʻiz bizning osmonimizdan bir parcha boʻlgan, xuddi shunday egilgan shar. Qaysi uch qaysi ekanini hech narsa aytmaydi.

Uzoq ogʻiz qayerdaligi chuvalchang tuynugining oʻz ishi. U yonginada, galaktikaning narigi chetida yoki baʼzilar tasavvur qilganidek, boshqa koinotda boʻlishi mumkin: tenglamalar aytmaydi. Gʻoyaning maʼnosi ana shunda. Tunnel boʻylab masofaning tashqaridagi masofaga aloqasi yoʻq, shuning uchun qisqa tunnel yorugʻlik yillari narida joylashgan joylarni tutashtirishi mumkin.

Vaqt mashinasimi?

Bir ogʻizni tez borib-kelish safariga olib chiqing — uning soati boshqasinikidan orqada qoladi; oʻtsangiz, ertaroq chiqasiz. Morris, Thorne va Yurtsever buni 1988-yilda koʻrsatdi. Xoking 1992-yilda tabiat buning oldini oladi, deb taʼkidladi.

Yorugʻlik tezligiga yaqin harakatlanayotgan narsa uchun vaqt sekinroq oʻtadi. Bir ogʻizni tez borib-kelish safariga olib chiqib, boshqasining yoniga qaytarib keltirsangiz, ularning soatlari endi safar tejagan vaqtga farq qiladi. Ogʻizlar turli vaqtda, lekin bir joyda.

Kechroq ogʻizdan kirsangiz, ertaroqdan chiqasiz: vaqtda orqaga yoʻl va oʻzingiz bilan uchrashishingiz mumkin boʻlgan sirtmoq. Bu yopiq vaqtsimon egri chiziq, vaqt sayohati haqidagi hikoyalarga kerak narsa. Morris, Thorne va Yurtsever 1988-yilda chuvalchang tuynugi bir marta yasalgach, uni shunga aylantirish mumkinligini taʼkidladi.

Stiven Xoking 1992-yilda xronologiyani himoya qilish farazini taklif qildi: vakuumning kvant tebranishlari mashina mumkin boʻlgan payt yigʻilib, cheksiz oʻsib, avval chuvalchang tuynugini yoʻq qilardi. Hozirgacha hisob-kitoblar shunga mos, lekin hech kimda toʻliq isbot yoʻq.

Birortasini koʻrgan kishi bormi?

Yoʻq. Chuvalchang tuynuklari yulduz nurida, tortishish toʻlqinlarida va galaktikamiz qora tuynugi yonida qidirilgan, har bir qidiruv quruq qoʻl bilan qaytgan. U umumiy nisbiylik ruxsat beradigan gʻoyaligicha qolmoqda, mavjudligini biladigan narsamiz emas.

Linzalanish qidiruvlari chuvalchang tuynugi kabi yorqinlashadigan birorta yulduz topmadi. Ikki qora tuynuk qoʻshilganda, ularning oʻrnidagi chuvalchang tuynugi tortishish toʻlqinlari aks-sadosini yuborardi; LIGO, Virgo va KAGRA maʼlumotlaridagi qidiruvlar buning ishonchli belgisini topmadi.

Event Horizon Telescope olgan M87 va oʻz galaktikamizdagi qora tuynuklar tasvirlari qora tuynuklarga mos keladi. Ular hali barcha muqobillarni inkor eta olmaydi, lekin ularda hech narsa chuvalchang tuynugini talab qilmaydi.

Demak, chuvalchang tuynugi boshlangan joyida, tenglamalarda qolmoqda. U bizga oʻrgatgan narsa baribir haqiqiy: fazoga qanday shakl berish mumkinligi va mumkin boʻlganning qanchasi manfiy energiyaga ehtiyoj tufayli toʻxtatilishi.