dzięki kasowemu sukcesowi filmu „międzygwiezdny” Wiele osób jest podekscytowanych perspektywami tuneli czasoprzestrzennych jako środka transportu międzygwiezdnego. Chociaż obecnie nie ma dowodów na to, że takie egzotyczne obiekty istnieją w przyrodzie, możliwe jest, że mogłyby one zostać sztucznie stworzone, być może z wersji wyższej wymiarowej teorii strun i inżynierii fundamentalnej piany czasoprzestrzennej. Badania nad tunelami czasoprzestrzennymi to dziś ekscytujący temat, z dziesiątkami artykułów publikowanych w recenzowanych czasopismach każdego roku, ale warto przypomnieć o jego pochodzeniu-i zaczyna się od zaskakującego miejsca.

w 1915 roku Albert Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności, swój opis grawitacji, który starannie definiuje, w jaki sposób obiekty przyciągają się nawzajem i wpływają na przestrzeń i czas wokół nich. Wiele lat później amerykański fizyk John Wheeler wypowiedział zdanie: „przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać, a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać”. Einstein opisał grawitację jako przejaw krzywizny czasoprzestrzeni. Ogólna teoria względności jest ciągłą teorią pola w przeciwieństwie do teorii cząstek materii, która doprowadziła do mechaniki kwantowej.

Einstein był również zaangażowany w rozwój mechaniki kwantowej, teorii opisującej cząstki subatomowe. Nie był jednak do końca zadowolony z jego nieodłącznej niepewności i probabilistycznego charakteru. W 1935 roku pracował z Nathanem Rosenem nad stworzeniem teorii pola dla elektronów, wykorzystując ogólną teorię względności. Ich praca została zatytułowana „problem cząstek w ogólnej teorii względności”. Einstein i Rosen badali możliwość atomistycznej teorii materii i elektryczności, która, wykluczając nieciągłości (osobliwości) w dziedzinie, nie korzystała z żadnych innych zmiennych poza opisem (metryką) ogólnej teorii względności i teorii elektromagnetycznej Maxwella. Jedną z konsekwencji było to, że najbardziej naładowana cząstka elementarna miała masę zerową.

w końcu to, co wyprodukowali, było czymś dość oryginalnym. Zaczęli od równań sferycznie symetrycznego rozkładu masy, używanego już dla czarnych dziur i znanego jako rozwiązanie Schwarzschilda,

$$DS^2 = -\dfrac{1}{1-2m/r}dr^2 – R^2(d\theta^2+\sin^2\theta D\phi^2) + (1-2m/r)dt^2$$

gdzie \(DS^2\) jest metryką I \(m=GM/C^2\) o współrzędnych sferycznych \((r,\Theta,\Phi)\) i czasie \(t\).

wykonali transformację współrzędnych w celu usunięcia obszaru zawierającego krzywiznę osobliwości, nieciągłości w krzywiźnie przestrzeni implikowanej przez czarne dziury i podobne zjawiska. Osobliwość w \(r=2M\) została usunięta przez transformację współrzędnych \(U^2 = r – 2M\), w wyniku czego uzyskano ostateczne rozwiązanie,

$$DS^2 = -4(u^2 + 2M)du^2 – (U^2 + 2M)^2 d\Omega^2 + \dfrac{U^2}{u^2 + 2M} dt^2$$

gdzie \(D\Omega^2 = D\theta^2 + \Sin^2\theta D\phi^2\).

rozwiązaniem tym była matematyczna reprezentacja przestrzeni fizycznej przez przestrzeń dwóch asymptotycznie płaskich arkuszy połączonych mostem lub tunelem Schwarzschilda z „gardłem”. Łączy to dwa arkusze i przez analogię dwie oddzielne części rzeczywistego, trójwymiarowego wszechświata. Rysunek 1 pokazuje przestrzeń wokół tunelu czasoprzestrzennego, a przestrzeń powyżej i poniżej staje się płaska na” krawędziach ” podczas oddalania do nieskończoności.

teraz nie był to tunel czasoprzestrzenny, ponieważ musieliśmy czekać na przybycie fizyków Johna Wheelera w latach 50.i Kipa Thorne ’ a w latach 80. W 1987 roku, za namową Carla Sagana za powieść „kontakt” (później film fabularny), Thorne i jego kolega Michael Morris byli w stanie skonstruować matematyczny opis, metrykę, aby opisać sferycznie symetryczny i statyczny tunel czasoprzestrzenny o rzeczywistym, skończonym obwodzie. To miało współrzędne zmniejszające się z ujemnej nieskończoności-out w minimalnie zakrzywionej przestrzeni – do minimalnej wartości, w której znajdowało się gardło, a następnie zwiększające się z gardła do dodatniej nieskończoności — w innej minimalnie zakrzywionej przestrzeni. Rozwiązanie to ma charakterystyczną cechę braku horyzontu zdarzeń-w przeciwieństwie do czarnej dziury. Artykuł Thorne ’ a i Morrisa zatytułowany był „tunele czasoprzestrzenne i ich zastosowanie do podróży międzygwiezdnych: narzędzie do nauczania ogólnej teorii względności”. Artykuł ten przyczynił się do ustanowienia badań nad tunelami czasoprzestrzennymi jako nowego obszaru badań naukowych.

od tego czasu opublikowano wiele prac i rzeczywiście przeprowadzono badania astronomiczne, badające najdalsze gwiazdy i galaktyki w poszukiwaniu naturalnych tuneli czasoprzestrzennych. Żaden z nich nie został jeszcze zidentyfikowany, ale pamiętajcie o pochodzeniu tej dziedziny badań — most Einsteina-Rosena nie był tunelem czasoprzestrzennym i nie było intencją autora, aby go stworzyć, ale stworzyli pierwszy matematyczny opis tunelu czasoprzestrzennego. Powinni o tym pamiętać. Badania naukowe często dają coś zupełnie nieoczekiwanego z implikacjami wykraczającymi daleko poza pierwotne intencje badaczy.

Kelvin F. Długi

od czasu publikacji tego artykułu nasze czasopismo Principium opublikowało dwa numery (issues 9 & 10), w których szczegółowo omawiamy tunele czasoprzestrzenne i Most Einsteina-Rosena. Zagadnienia te szczegółowo opisują również jednodniowe sympozjum „Interstellar Wormholes: Physics and Practical Realisation” zorganizowane przez Initiative for Interstellar Studies we współpracy z British Interplanetary Society.