Wormhole: lịch sử, lý thuyết, các loại, đào tạo, du hành trong thời gian

Một lỗ sâu đục, trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, là một lối đi kết nối hai điểm trong kết cấu không thời gian. Giống như quả táo rơi đã truyền cảm hứng cho lý thuyết về lực hấp dẫn của Isaac Newton vào năm 1687, những con sâu đục lỗ táo đã truyền cảm hứng cho những lý thuyết mới, cũng trong khuôn khổ của lực hấp dẫn.

Giống như con sâu tìm cách đến một điểm khác trên bề mặt khối thông qua một đường hầm, lỗ sâu không gian thời gian là lối tắt lý thuyết cho phép di chuyển đến các địa điểm xa trong vũ trụ trong thời gian ngắn hơn.

Đó là một ý tưởng đã nắm bắt và tiếp tục chiếm được trí tưởng tượng của nhiều người. Trong khi đó, các nhà vũ trụ học đang bận rộn tìm cách để chứng minh sự tồn tại của họ. Nhưng hiện tại họ vẫn là đối tượng của sự đầu cơ.

Để hiểu gần hơn một chút về sự hiểu biết về hố giun, khả năng du hành xuyên thời gian qua chúng và sự khác biệt tồn tại giữa hố giun và hố đen, chúng ta phải đặt mình vào khái niệm không thời gian.

Không thời gian là gì?

Khái niệm về không-thời gian được liên kết chặt chẽ với khái niệm về lỗ sâu đục. Đó là lý do tại sao cần phải thiết lập đầu tiên nó là gì và đặc điểm chính của nó là gì.

Không thời gian là nơi xảy ra mỗi và mọi sự kiện trong vũ trụ. Và vũ trụ lần lượt là toàn bộ không-thời gian, có khả năng chứa tất cả các dạng năng lượng vật chất và hơn thế nữa ...

Khi bạn trai gặp bạn gái đó là một sự kiện, nhưng sự kiện này có một số tọa độ không gian: nơi gặp gỡ. Và một sự phối hợp thời gian: năm, tháng, ngày và giờ của cuộc họp.

Sự ra đời của một ngôi sao hay vụ nổ siêu tân tinh cũng là những sự kiện diễn ra trong không-thời gian.

Bây giờ, trong một khu vực của vũ trụ không có khối lượng và tương tác, không thời gian là phẳng. Điều này có nghĩa là hai tia sáng bắt đầu song song như thế này, miễn là chúng vẫn ở trong vùng đó. Nhân tiện, đối với một tia sáng, thời gian là vĩnh cửu.

Tất nhiên, không thời gian không phải lúc nào cũng bằng phẳng. Vũ trụ chứa các vật thể có khối lượng làm thay đổi không-thời gian, tạo ra độ cong không-thời gian trên quy mô phổ quát.

Chính Albert Einstein đã nhận ra, trong một khoảnh khắc của cảm hứng mà ông gọi là "ý tưởng hạnh phúc nhất trong cuộc đời tôi", rằng một người quan sát gia tốc không thể phân biệt được với một người gần gũi với một vật thể lớn. Đó là nguyên tắc tương đương nổi tiếng.

Và một người quan sát tăng tốc làm cong không thời gian, nghĩa là hình học Euclide không còn giá trị. Do đó, trong môi trường của một vật thể lớn như một ngôi sao, một hành tinh, một thiên hà, một lỗ đen hoặc chính vũ trụ, không-thời gian bị cong.

Độ cong này được con người cảm nhận như một lực gọi là lực hấp dẫn, hàng ngày nhưng bí ẩn cùng một lúc.

Trọng lực cũng bí ẩn như lực đẩy chúng ta về phía trước khi xe buýt chúng ta đi đột ngột dừng lại. Như thể đột nhiên một thứ gì đó vô hình, tối tăm và đồ sộ, trong một khoảnh khắc đứng trước mặt chúng tôi và thu hút chúng tôi, đẩy chúng tôi bất ngờ về phía trước.

Các hành tinh chuyển động theo hình elip quanh Mặt trời vì khối lượng của hành tinh này tạo ra một vết lõm trên bề mặt không gian thời gian khiến các hành tinh uốn cong quỹ đạo của chúng. Một tia sáng cũng làm cong quỹ đạo của nó theo áp thấp không gian do Mặt trời tạo ra.

Đường hầm xuyên không gian - thời gian

Nếu không-thời gian là một bề mặt cong, về nguyên tắc, không có gì ngăn cản một khu vực kết nối với nhau thông qua một đường hầm. Đi qua một đường hầm như thế này không chỉ liên quan đến việc thay đổi địa điểm, mà còn mang đến khả năng đi đến một thời điểm khác.

Ý tưởng này đã truyền cảm hứng cho nhiều cuốn sách, sê-ri và phim khoa học viễn tưởng, trong đó có sê-ri nổi tiếng của Mỹ thập niên sáu mươi "Đường hầm thời gian" và gần đây là "Deep Space 9" của loạt phim Star Trek và phim Interstellar 2014.

Ý tưởng xuất phát từ cùng một Einstein, người đang tìm giải pháp cho các phương trình trường của Thuyết tương đối rộng, đã tìm thấy với Nathan Rosen một giải pháp lý thuyết cho phép kết nối hai vùng không gian khác nhau thông qua một đường hầm hoạt động như một lối tắt.

Giải pháp đó được gọi là cây cầu Einstein-Rosen và xuất hiện trong một tác phẩm được xuất bản năm 1935.

Tuy nhiên, thuật ngữ "wormhole" đã được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1957, nhờ các nhà vật lý lý thuyết John Wheeler và Charles Misner trong một ấn phẩm năm đó. Trước đây đã có nói về "ống một chiều" để đề cập đến cùng một ý tưởng.

Sau năm 1980, Carl Sagan đang viết tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Liên hệ", một cuốn sách mà sau đó một bộ phim đã được thực hiện. Nhân vật chính tên Elly phát hiện ra sự sống ngoài trái đất thông minh cách xa 25 nghìn năm ánh sáng. Carl Sagan muốn Elly đi du lịch ở đó, nhưng theo cách đáng tin cậy về mặt khoa học.

Để đi du lịch cách xa 25 nghìn năm ánh sáng không phải là một nhiệm vụ dễ dàng đối với con người, trừ khi tìm kiếm một lối tắt. Một lỗ đen không thể là một giải pháp, vì khi tiếp cận điểm kỳ dị, trọng lực vi sai sẽ xé nát con tàu và thủy thủ đoàn.

Để tìm kiếm các khả năng khác, Carl Sagan đã tham khảo một trong những chuyên gia về lỗ đen chính của thời đại: Kip Thorne, người bắt đầu suy nghĩ về vấn đề này và nhận ra rằng cầu Einstein-Rosen hoặc hố giun Wheeler là giải pháp.

Tuy nhiên, Thorne cũng nhận thấy rằng giải pháp toán học không ổn định, nghĩa là đường hầm mở ra, nhưng trong một thời gian ngắn, nó bóp nghẹt và biến mất.

Sự bất ổn của lỗ sâu đục

Có thể sử dụng lỗ sâu đục để di chuyển khoảng cách lớn trong không gian và thời gian?

Kể từ khi chúng được phát minh, các lỗ sâu đục đã phục vụ trong nhiều âm mưu khoa học viễn tưởng để đưa nhân vật chính của họ đến những nơi xa xôi và trải nghiệm những nghịch lý của thời gian phi tuyến.

Kip Thorne đã tìm thấy hai giải pháp khả thi cho vấn đề mất ổn định của lỗ sâu đục:

• Thông qua cái gọi là bọt lượng tử . Ở thang đo Planck (10-35 m), có những dao động lượng tử có khả năng kết nối hai vùng không thời gian thông qua microtunnels. Một nền văn minh giả thuyết rất tiên tiến có thể tìm ra cách mở rộng các lối đi và giữ chúng đủ lâu để con người đi qua.
• Vật chất đại chúng tiêu cực. Theo các tính toán được công bố vào năm 1990 bởi chính Thorne, sẽ phải mất một lượng lớn vật chất kỳ lạ này để giữ cho phần cuối của lỗ sâu đục mở ra.

Điều đáng chú ý về giải pháp cuối cùng này là không giống như các lỗ đen, không có hiện tượng kỳ dị hay lượng tử, và việc con người đi qua loại đường hầm này sẽ khả thi.

Theo cách này, các lỗ sâu không chỉ cho phép kết nối các vùng xa trong không gian mà còn được phân tách theo thời gian. Do đó, chúng là những cỗ máy du hành thời gian.

Stephen Hawking, tài liệu tham khảo tuyệt vời về vũ trụ học của cuối thế kỷ XX, đã không tin rằng khả thi hoặc lỗ sâu đục hoặc cỗ máy thời gian, bởi vì nhiều nghịch lý và mâu thuẫn nảy sinh từ chúng.

Điều đó đã không làm giảm tinh thần của các nhà nghiên cứu khác, những người đã cho rằng khả năng hai lỗ đen ở các khu vực khác nhau trong không gian, được kết nối bên trong bởi một lỗ sâu đục.

Mặc dù điều này sẽ không thực tế cho các chuyến du hành không gian, vì ngoài những khổ nạn sẽ mang vào điểm kỳ dị của hố đen, sẽ không có khả năng rời khỏi đầu kia, vì đó là một lỗ đen khác.

Sự khác biệt giữa lỗ đen và lỗ sâu đục

Khi bạn nói về một lỗ sâu đục, bạn cũng nghĩ ngay đến lỗ đen.

Một lỗ đen được hình thành một cách tự nhiên, sau quá trình tiến hóa và cái chết của một ngôi sao có khối lượng tới hạn nhất định.

Nó phát sinh sau khi ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và bắt đầu co lại không thể phục hồi do lực hấp dẫn của chính nó. Nó tiếp tục không ngừng cho đến khi nó gây ra sự sụp đổ đến mức không gì khác hơn bán kính của chân trời sự kiện có thể thoát ra, thậm chí không sáng.

Trong so sánh, một lỗ sâu đục là một sự xuất hiện đặc biệt, hậu quả của sự bất thường giả thuyết trong độ cong của không-thời gian. Về lý thuyết có thể đi qua chúng.

Tuy nhiên, nếu ai đó cố gắng đi qua một lỗ đen, lực hấp dẫn cực mạnh và bức xạ cực mạnh ở vùng lân cận gần điểm kỳ dị sẽ biến nó thành một sợi mỏng của các hạt hạ nguyên tử.

Có bằng chứng gián tiếp và chỉ có bằng chứng trực tiếp gần đây về sự tồn tại của lỗ đen. Trong số các bằng chứng này là sự phát xạ và phát hiện sóng hấp dẫn bằng lực hút và xoay của hai lỗ đen khổng lồ, được phát hiện bởi đài quan sát sóng hấp dẫn LIGO.

Có bằng chứng cho thấy ở trung tâm của các thiên hà lớn, như Dải Ngân hà của chúng ta có một lỗ đen siêu lớn.

Sự quay nhanh của các ngôi sao gần trung tâm, cũng như lượng bức xạ tần số cao phát ra từ nó, là bằng chứng gián tiếp cho thấy có một lỗ đen khổng lồ giải thích sự hiện diện của những hiện tượng này.

Chỉ đến ngày 10 tháng 4 năm 2019, bức ảnh đầu tiên về hố đen siêu lớn (gấp 7000 triệu lần Mặt trời) mới được chiếu cho cả thế giới, nằm trong một thiên hà rất xa: Messier 87 trong chòm sao Xử Nữ, tới 55 triệu của năm ánh sáng từ Trái đất.

Bức ảnh về hố đen này được thực hiện nhờ mạng lưới kính viễn vọng trên toàn thế giới, được gọi là "Kính viễn vọng chân trời sự kiện", với sự tham gia của hơn 200 nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới.

Thay vào đó, không có bằng chứng nào cho đến nay. Các nhà khoa học đã có thể phát hiện và theo dõi một lỗ đen, tuy nhiên điều tương tự là không thể xảy ra với các lỗ sâu đục.

Do đó, chúng là những đối tượng giả thuyết, mặc dù về mặt lý thuyết là khả thi, vì đã có lúc chúng cũng là những hố đen.

Giống / loại giun

Mặc dù chúng chưa được phát hiện, hoặc có lẽ chính xác là do điều này, chúng đã tưởng tượng ra các khả năng khác nhau cho các lỗ sâu đục. Tất cả đều khả thi về mặt lý thuyết, vì chúng thỏa mãn các phương trình của Einstein cho thuyết tương đối rộng. Đây là một số:

• Wormholes kết nối hai vùng không gian-thời gian của cùng một vũ trụ.
• Wormholes có khả năng kết nối một vũ trụ với vũ trụ khác.
• Những cây cầu của Einstein-Rosen, trong đó vật chất có thể truyền từ cửa này sang cửa kia. Mặc dù bước này của vật chất sẽ gây ra sự mất ổn định, khiến đường hầm tự sụp đổ.
• Hố sâu của Kip Thorne, với vỏ hình cầu của vật chất khối âm. Nó ổn định và có thể điều chỉnh được ở cả hai hướng.
• Cái gọi là lỗ sâu Schwarzschild, bao gồm hai lỗ đen tĩnh được kết nối. Chúng không thể đi qua được, vì vật chất và ánh sáng bị giữ lại giữa hai đầu.
• Wormholes có tải và / hoặc xoay hoặc Kerr, bao gồm hai lỗ đen động được kết nối bên trong, di chuyển theo một hướng.
• Bọt không gian thời gian lượng tử, có sự tồn tại được lý thuyết hóa ở cấp độ hạ nguyên tử. Bọt bao gồm các đường hầm hạ nguyên tử rất không ổn định kết nối các khu vực khác nhau. Để ổn định và mở rộng chúng sẽ đòi hỏi phải tạo ra một plasma quark và gluon, thứ sẽ đòi hỏi một lượng năng lượng gần như vô hạn cho thế hệ của chúng.
• Gần đây, nhờ lý thuyết dây, người ta đã đưa ra giả thuyết về các lỗ sâu đục được hỗ trợ bởi các chuỗi vũ trụ.
• Các lỗ đen đan xen và sau đó tách ra, từ đó nổi lên một lỗ thời gian, hay cây cầu Einstein-Rosen được giữ bởi trọng lực. Đó là một giải pháp lý thuyết được đề xuất vào tháng 9 năm 2013 bởi các nhà vật lý Juan Maldivesacena và Leonard Susskind.

Tất cả đều hoàn toàn có thể, vì chúng không mâu thuẫn với phương trình tương đối tổng quát của Einstein.

Có thể nhìn thấy lỗ sâu đục một ngày?

Trong một thời gian dài, các lỗ đen là giải pháp lý thuyết cho phương trình của Einstein. Chính Einstein đã đặt câu hỏi về khả năng chúng có thể bị loài người phát hiện.

Vì vậy, trong một thời gian dài, các lỗ đen vẫn là một dự đoán lý thuyết, cho đến khi chúng được tìm thấy và định vị. Các nhà khoa học chứa đựng hy vọng tương tự cho các lỗ sâu đục.

Rất có khả năng họ cũng ở đó, nhưng họ chưa học được cách xác định vị trí của họ. Mặc dù theo một ấn phẩm gần đây, lỗ sâu đục sẽ để lại dấu vết và bóng tối có thể quan sát được ngay cả với kính viễn vọng.

Người ta tin rằng các photon di chuyển xung quanh lỗ giun tạo ra một vòng sáng. Các photon gần nhất rơi vào bên trong và để lại một cái bóng sẽ phân biệt chúng với các lỗ đen.

Theo Rajibul Shaikh, một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu cơ bản Tata ở Mumbai ở Ấn Độ, một loại lỗ giun quay sẽ tạo ra một cái bóng lớn hơn và cong vênh hơn một lỗ đen.

Trong tác phẩm của mình, Shaikh đã nghiên cứu các bóng lý thuyết được chiếu bởi một loại lỗ sâu quay nhất định, tập trung vào vai trò quan trọng của cổ họng lỗ để hình thành bóng photon xác định và phân biệt nó với lỗ đen.

Shaikh cũng đã phân tích sự phụ thuộc của bóng tối với sự quay của lỗ giun và cũng đã so sánh nó với bóng được chiếu bởi một lỗ đen xoay của Kerr, tìm thấy sự khác biệt đáng kể. Đó là một công việc hoàn toàn lý thuyết.

Ngoài ra, hiện tại, lỗ sâu đục vẫn còn là trừu tượng toán học, nhưng có thể rất sớm người ta sẽ có thể nhìn thấy chúng. Những gì ở một thái cực khác, trong thời gian này vẫn là chủ đề của sự phỏng đoán.