Fale grawitacyjne i tunele czasoprzestrzenne
Wykrycie fal grawitacyjnych zainaugurowało nową gałąź astronomii, dzięki której możemy poznawać i badać obiekty we Wszechświecie w taki sposób, w jaki do tej pory nie potrafiliśmy. Dzięki falom grawitacyjnym możemy bliżej przyjrzeć się interakcjom ciał niebieskich sprzed miliardów lat. Wykrycie tuneli czasoprzestrzennych, na co liczą niektórzy badacze, miałoby stać się możliwe dzięki obserwacji zderzeń czarnych dziur.
Nie ma znikania
Pogląd, że w osobliwości czarnych dziur znajdują się połączone ze sobą tunele czasoprzestrzenne, ma już swoje lata. Do tej pory były to jednak czyste spekulacje. Nowe narzędzia obserwacyjne pozwoliłyby owe tunele może nie tyle "zobaczyć", co przedstawić jakieś konkretne ślady ich istnienia. Łączące się ze sobą czarne dziury, podobnie jak zderzenie np. kwazarów, generuje specyficzny typ fal grawitacyjnych i w nim uczeni mają nadzieję wykryć echa tuneli. Zderzenie dwóch obracających się tuneli czasoprzestrzennych spowodowałoby podobną deformację czasoprzestrzeni, jednak pozostawiając bardziej trwałe "echa" w sygnale.
Jak powszechnie wiadomo, pracujące w koordynacji obserwatoria LIGO i Virgo wykryły fuzję dwóch czarnych dziur. Naukowcy od razu zaczęli się zastanawiać, co by było, gdyby zmarszczki czasoprzestrzeni nie były wytwarzane przez czarne dziury, ale przez inne egzotyczne obiekty.
Z czarnymi dziurami jest taki problem, że mają one "krawędź", zwaną horyzontem zdarzeń, z której nic nie może uciec. Jest to jednak niezgodne z mechaniką kwantową, która wyraźnie zabrania "znikania" informacji. Jednym z teoretycznych sposobów radzenia sobie z tą sprzecznością jest wzięcie pod uwagę możliwości, że rzekome czarne dziury, które "obserwujemy" w przestrzeni, są nie tym, czym nam się wydają, ale raczej rodzajem egzotycznych obiektów kompaktowych (ECO), takich jak tunele czasoprzestrzenne, które nie mają żadnego horyzontu zdarzeń.
"Ostatnia część sygnału grawitacyjnego wykrytego przez oba detektory, czyli tzw. ringdown, odpowiada finalnemu etapowi zderzenia się dwóch czarnych dziur i charakteryzuje się całkowitym wygaszeniem po krótkim czasie ze względu na obecność horyzontu zdarzeń", wyjaśniają w pracy opublikowanej na łamach periodyku "Physical Review D" hiszpańscy badacze Pablo Bueno i Pablo A. Cano, z Uniwersytetu KU Leuven w Belgii. „Gdyby nie było tego horyzontu, oscylacje nie znikałyby całkowicie. Zamiast tego po pewnym czasie powstałaby seria "ech", podobnych do akustycznych zjawisk, np. w studni. Musimy więc określić obecność lub brak echa, aby rozróżnić dwa typy obiektów".
Rozróżnienie to byłoby zarazem odkryciem tuneli czasoprzestrzennych, a przynajmniej poszlaką wskazującą na ich istnienie. Teoretycznie możliwość ta została zbadana przez kilka zespołów naukowych, a wstępne analizy eksperymentalne z wykorzystaniem oryginalnych danych LIGO zostały już przeprowadzone. Jednak werdykt jest niejednoznaczny.
Zespół Uniwersytetu KU Leuven, w którym pracował również prof. Thomas Hertog, przedstawił model opisujący sposób wykrycia fal grawitacyjnych spowodowanych zderzeniem dwóch rotujących tuneli czasoprzestrzennych. Polega on w skrócie na wykrywaniu wspomnianych ech w sygnale. Naukowcy podkreślają, że być może te echa znajdowały się już w sygnałach, które udało się zarejestrować, lecz do tej pory nie zostały zauważone - z powodu braku modeli lub teoretycznych odniesień, z którymi należałoby je porównywać.
- Tunele nie mają horyzontu zdarzeń, ale działają jak skrót czasoprzestrzeni, który można przemierzyć - byłby to rodzaj bardzo długiego korytarza, który przenosi nas do innego wszechświata - wyjaśnia Bueno. - Fakt, że w obiektach tych występuje również rotacja, modyfikuje wytwarzane przez nie fale grawitacyjne. Potwierdzenie echa w sygnałach LIGO lub Virgo byłoby praktycznie niezbitym dowodem na to, że astrofizyczne czarne dziury nie istnieją. Czas pokaże, czy echa są, czy ich nie ma. Gdyby wynik okazał się pozytywny, byłoby to jedno z największych odkryć w historii fizyki.
Jeśli już mają istnieć, to niech się do czegoś przydadzą
Wyjaśnienia Bueno są całkowicie zgodne z definicją tunelu czasoprzestrzennego, kiedyś nazywanego też mostem Einsteina-Rosena, jako hipotetycznego przejścia łączącego wszechświaty. Warto pamiętać, że ogólna teoria względności Alberta Einsteina dopuszcza istnienie tuneli w niektórych modelach czasoprzestrzeni.
Tunele czasoprzestrzenne, gdyby istniały, teoretycznie umożliwiałyby podróż do odległych regionów Wszechświata lub do innego wszechświata we względnie krótkim czasie, szybciej niż dotarłoby tam światło, jednak bez konieczności przekroczenia prędkości światła. Ponieważ tunele łączą ze sobą regiony czasoprzestrzeni, umożliwiałyby nie tylko podróż do odległych regionów, lecz również podróżowanie w czasie.
Znane nauce wyliczenia wskazują jednak na to, iż nawet gdyby tunele czasoprzestrzenne istniały, byłyby zbyt niestabilne, by cokolwiek (włącznie z energią) dało się przez nie przesłać. Systematycznie pojawiają się tu jednak nowe hipotezy, negujące starsze.
W latach 30. XX wieku Albert Einstein i Nathan Rosen wspólnie odkryli, że połączenie modelu czarnej dziury z modelem tzw. białej dziury prowadzi do powstania rodzaju tunelu w czasoprzestrzeni. Jako że był to jedyny znany tunel, jego nazwa przez długi czas określała wszystkie tunele. Duży wkład do badań w tej dziedzinie wnieśli w latach 60. Amerykańscy fizycy John Wheeler i Robert Fuller. Udowodnili m.in., że mosty Einsteina-Rosena są niestabilne i zapadłyby się same w sobie, zanim cokolwiek mogłoby je przemierzyć. Angielska nazwa tuneli - wormhole (dziurka po robaku) - została wprowadzona w 1957 r. przez Johna Wheelera, jako analogia do robaczka na powierzchni jabłka, który drąży miąższ, by przedostać się na drugą stronę. Bardziej praktyczny termin - spacetime shortcut (skrót czasoprzestrzenny) - został zaproponowany przez Sergieja Krasnikova, dla tuneli umożliwiających przesyłanie materii i energii.
Choć pojęcie tuneli czasoprzestrzennych wciąż ma charakter spekulatywny, z pewnością warto poznać pojawiającą się w literaturze przedmiotu ich klasyfikację.
A zatem, ze względu na połączenie wyróżnia się tunele czasoprzestrzenne wewnętrzne (intra-wormholes) - łączące miejsca lub czasy i miejsca tego samego wszechświata, oraz zewnętrzne (inter-wormholes) - łączące ze sobą miejsca i czasy różnych wszechświatów. Spekuluje się, że dzięki takim tunelom można by przedostać się do wszechświatów równoległych.
Ze względu na model obliczeniowy mówi się o: tunelach lorenzowskich - analizowanych głównie pod kątem teorii względności oraz klasycznej grawitacji, a także euklidesowych- analizowanych przeważnie pod kątem fizyki cząsteczek.
Ze względu na właściwości wyróżniamy: tunele przenikalne (traversable) - umożliwiające przesłanie przez nie materii lub co najmniej energii (dziś znane modele są na ogół odmianą tuneli lorenzowskich), oraz nieprzenikalne (non-traversable) - przez które nie jest możliwe przesłanie materii, energii czy informacji (przykładem most Einsteina-Rosena).
Jako że literatura science fiction często widzi w tunelach czasoprzestrzennych sposób na przezwyciężenie ograniczeń fizycznych w podróżowaniu po kosmosie, samo odkrycie ich istnienia nie wydaje się jeszcze satysfakcjonujące. Dobrze byłoby też od razu wiedzieć, czy są dostępne i czy z ludzkiego punktu widzenia do czegokolwiek się nadają.
