(Zdjęcie: © ktsdesign/Shutterstock)
Ogólna teoria względności Alberta Einsteina dogłębnie zmieniła nasze myślenie o podstawowych pojęciach fizyki, takich jak przestrzeń i czas. Ale pozostawiła nas również z kilkoma tajemnicami. Jedną z nich są czarne dziury, które zostały jednoznacznie wykryte dopiero w ciągu ostatnich kilku lat. Kolejną są ” tunele czasoprzestrzenne” – mosty łączące różne punkty w czasoprzestrzeni, teoretycznie stanowiące skróty dla podróżujących w kosmosie. Dziury czasoprzestrzenne wciąż pozostają w sferze wyobraźni. Ale niektórzy naukowcy uważają, że wkrótce będziemy w stanie je znaleźć. W ciągu ostatnich kilku miesięcy, kilka nowych badań zasugerowało intrygujące możliwości.
Czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne są szczególnymi rodzajami rozwiązań równań Einsteina, powstającymi, gdy struktura czasoprzestrzeni jest silnie zakrzywiona przez grawitację. Na przykład, gdy materia jest niezwykle gęsta, czasoprzestrzeń może stać się tak zakrzywiona, że nawet światło nie może się z niej wydostać. To właśnie jest czarna dziura.
Ponieważ teoria ta pozwala na rozciąganie i wyginanie czasoprzestrzeni, można sobie wyobrazić najróżniejsze możliwe konfiguracje. W 1935 roku Einstein i fizyk Nathan Rosen opisali, jak można połączyć dwa fragmenty czasoprzestrzeni, tworząc most między dwoma wszechświatami. Jest to jeden z rodzajów tuneli czasoprzestrzennych – od tego czasu wymyślono wiele innych. Niektóre tunele czasoprzestrzenne mogą być „przemierzalne”, co oznacza, że ludzie będą mogli przez nie podróżować. Aby tak się stało, musiałyby one być wystarczająco duże i utrzymywane w stanie otwartym wbrew sile grawitacji, która próbuje je zamknąć. Wypchnięcie czasoprzestrzeni na zewnątrz w ten sposób wymagałoby ogromnych ilości „negatywnej energii”. Brzmi jak sci-fi? Wiemy, że ujemna energia istnieje, niewielkie jej ilości zostały już wyprodukowane w laboratorium. Wiemy również, że ujemna energia stoi za przyspieszoną ekspansją wszechświata. Zatem natura mogła znaleźć sposób na tworzenie tuneli czasoprzestrzennych.
Jak możemy udowodnić, że tunele czasoprzestrzenne istnieją? W nowej pracy opublikowanej w Monthly Notices of the Royal Society, rosyjscy astronomowie sugerują, że mogą one istnieć w centrum niektórych bardzo jasnych galaktyk i proponują obserwacje, które pozwolą je odnaleźć. Obliczenia opierają się na tym, co by się stało, gdyby materia wychodząca z jednej strony tunelu zderzyła się z materią wpadającą do środka. Z obliczeń wynika, że zderzenie to spowodowałoby spektakularny pokaz promieniowania gamma, który moglibyśmy spróbować zaobserwować za pomocą teleskopów.
Niedawno zobaczyliśmy czarną dziurę. (Image credit: NSF)
Promieniowanie to może być kluczem do rozróżniania między tunelem czasoprzestrzennym a czarną dziurą, o których wcześniej sądzono, że są nie do odróżnienia z zewnątrz. Jednak czarne dziury powinny produkować mniej promieni gamma i wyrzucać je w postaci strumienia, podczas gdy promieniowanie wytwarzane przez tunel czasoprzestrzenny byłoby ograniczone do gigantycznej kuli. Mimo, że rozpatrywany w tym badaniu rodzaj tunelu czasoprzestrzennego jest możliwy do przebycia, nie byłaby to przyjemna podróż. Ponieważ znajdowałaby się tak blisko centrum aktywnej galaktyki, panujące w niej wysokie temperatury spaliłyby wszystko na popiół. Jednak nie byłoby tak w przypadku wszystkich tuneli czasoprzestrzennych, np. tych położonych dalej od centrum galaktyki. Pomysł, że galaktyki zawierają tunele czasoprzestrzenne w swoich centrach nie jest nowy. Weźmy na przykład przypadek supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej. Została ona odkryta dzięki skrupulatnemu śledzeniu orbit gwiazd w pobliżu czarnej dziury, co było dużym osiągnięciem i zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku. Jednak jedna z ostatnich prac sugeruje, że to przyciąganie grawitacyjne może być spowodowane przez dziurę czasoprzestrzenną.
W przeciwieństwie do czarnej dziury, z tunelu czasoprzestrzennego może „wyciekać” pewna siła ciężkości z obiektów znajdujących się po drugiej stronie. Ta upiorna grawitacja dodałaby niewielkiego kopa do ruchów gwiazd w pobliżu centrum galaktyki. Zgodnie z tym badaniem, konkretny efekt powinien być mierzalny w obserwacjach w najbliższej przyszłości, gdy czułość naszych instrumentów nieco się zwiększy.
Przypadkowo, jeszcze inne najnowsze badania donoszą o odkryciu „dziwnych radiowych kręgów” na niebie. Kręgi te są dziwne, ponieważ są ogromne, a jednocześnie nie są związane z żadnym widocznym obiektem. Na razie nie da się ich wyjaśnić w żaden konwencjonalny sposób, więc jako możliwą przyczynę podaje się tunele czasoprzestrzenne.
Dziury czasoprzestrzenne silnie oddziałują na naszą zbiorową wyobraźnię. W pewnym sensie są one rozkoszną formą eskapizmu. W przeciwieństwie do czarnych dziur, które są nieco przerażające, ponieważ zatrzymują wszystko, co się w nich znajdzie, tunele czasoprzestrzenne mogą pozwolić nam na podróżowanie do odległych miejsc szybciej niż prędkość światła. Mogą nawet być wehikułami czasu, umożliwiając podróżowanie w przeszłość – jak sugerował Stephen Hawking w swojej ostatniej książce. Dziury czasoprzestrzenne pojawiają się również w fizyce kwantowej, która rządzi światem atomów i cząsteczek. Zgodnie z mechaniką kwantową cząsteczki mogą wyskakiwać z pustej przestrzeni, by chwilę później zniknąć. Zostało to zaobserwowane w niezliczonych eksperymentach. A skoro cząstki mogą powstawać, to dlaczego nie tunele czasoprzestrzenne? Fizycy uważają, że tunele czasoprzestrzenne mogły powstać we wczesnym Wszechświecie z piany cząstek kwantowych, które pojawiały się i znikały. Niektóre z tych „pierwotnych tuneli czasoprzestrzennych” mogą istnieć do dziś.
Ostatnie eksperymenty nad „teleportacją kwantową” – „bezcielesnym” przenoszeniem informacji kwantowej z jednego miejsca do drugiego – okazały się działać w sposób niezwykle podobny do dwóch czarnych dziur połączonych tunelem czasoprzestrzennym. Eksperymenty te wydają się rozwiązywać „paradoks informacji kwantowej”, który sugeruje, że informacja fizyczna może na stałe zniknąć w czarnej dziurze. Ujawniają one również głęboki związek pomiędzy notorycznie niezgodnymi teoriami fizyki kwantowej i grawitacji – przy czym tunele czasoprzestrzenne są istotne dla obu z nich – co może mieć kluczowe znaczenie dla budowy „teorii wszystkiego”.
Fakt o tym, że tunele czasoprzestrzenne odgrywają rolę w tych fascynujących odkryciach, raczej nie pozostanie niezauważony. Być może ich nie widzieliśmy, ale z pewnością mogą tam być. Mogą nawet pomóc nam zrozumieć niektóre z najgłębszych kosmicznych tajemnic, takich jak to, czy nasz wszechświat jest jedyny.
