Tuneluri prin Univers

Avem dovezi concludente conform cărora trăim într-un Univers euclidian. Așa cum spuneam într-un alt articol, această concluzie este valabilă la scară foarte mare. Local, de exemplu, în vecinătatea corpurilor foarte masive, avem o altfel de geometrie prin care descriem spațiu-timpul. Acum vreau să pun o întrebare: înțelegerea geometriei spațiu-timpului ne-ar putea ajuta să călătorim prin Univers?

Vă mărturisesc că atunci când am aflat de această posibilitate, cu mai bine de un deceniu în urmă, am rămas o vreme mut de uimire. Desigur, romanele și filmele SF, folosindu-se de găuri de vierme sau salturi prin hiperspațiu, mă pregătiseră pentru această idee. Dar acolo era vorba mai degrabă de magie, de un vis frumos al călătorului prin Univers. Citisem într-un număr al Almanahului Anticipația explicația lui Asimov. Nu găsesc acum almanahul cu pricina, dar ideea mi-a rămas în minte. Spunea ceva de genul acesta Asimov: se ia o coală de hârtie, desenăm pe ea două puncte, A și B. Cum putem ajunge de la A la B? Există varianta trasării unei drepte între cele două puncte. Asta este varianta banală, plicticoasă și lipsită de geniu. Dar mai putem face și altceva, vom îndoi hârtia astfel încât punctul A să se suprapună peste punctul B. În felul acesta distanța dintre puncte o putem reduce până către zero. Cam așa explica Asimov călătoria prin hiperspațiu. Pur și simplu, pentru a scurta durata călătoriei, trebuie să modificăm cumva geometria locală a Universului, adică să ”îl îndoim”. Asimov nu avea cum să intre în detalii. Cred că era prea devreme, fizicienii încă nu se gândiseră să aștearnă formule pe hârtie, pentru a vedea dacă acest lucru este posibil. Vă spun de pe acum: între timp lucrurile s-au schimbat foarte mult. Să vedem repede despre ce este vorba.

Găuri de vierme
În 1985, Carl Sagan îl roagă pe Kip Thorne, pe atunci profesor la Caltech, să vadă dacă există posibilitatea teoretică de realizare a unor scurtături prin spațiu-timp, care să poată fi folosite de o civilizație avansată. Altfel spus, dacă există vreo posibilitate de realizare a unor găuri de vierme pe care să le traverseze o navă spațială. Thorne a fost interesat de subiect așa că, împreună cu studentul său, Mike Morris, s-au pus pe treabă. Apoi, în 1988, a venit răspunsul: da, este posibil, dar este foarte greu. Avem nevoie de o materie stranie. Kip Thorne, în cartea ”Carl Sagan’s Universe” (o puteți găsi, ca și mine, pe Google Books), prefera să o numească ”materie exotică”. De ce exotică? Pentru că este foarte neobișnuit să îți imaginezi ”ceva” care să aibă masă negativă. Vă dați seama de ce avem nevoie de așa ceva? Am convingera că știți deja: masa și energia deformează local geometria spațiu-timpului. Am văzut asta și experimental, când am constatat că raza de lumină care vine de la o stea îndepărtată este curbată atunci când trece prin apropierea Soarelui. Materia asta exotică ne-ar ajuta și ea să controlăm local geometria spațiu-timpului, astfel încât să putem realiza ”scurtătura” despre care ne vorbea Asimov.

Materia cu masă negativă există în realitatea sa fizică, sau este doar un concept care există numai în teorie? Din păcate, trebuie să o spunem: această ”materie exotică” cu masă și energie negative, deși nu contrazice legile fizicii, nu există, deocamdată, decât în teorie. Nu trebuie să fiți dezamăgiți prea tare. Despre energia negativă putem face o afirmație. Ea ar trebui să existe. Aveți destul curaj pentru un experiment imaginar foarte simplificat? Sper că da.

Să ne imaginăm o gaură neagră. În jurul ei există o suprafață imaginară, numită orizontul evenimentelor. Atunci când ea este traversată nu mai există nici o posibilitate de evadare de sub acțiunea gravitațională a găurii negre. Pe de altă parte mai știm că ”vidul cuantic flucuează”, altfel spus, acolo apar în permanență perechi particulă-antiparticulă, care ”supraviețuiesc” un timp extrem de scurt până când se anihilează reciproc și dispar. Vidul cuantic fluctuează și în vecinătatea orizontului evenimentelor. Numai că acolo se întâmplă ceva deosebit. Este posibil ca un membru al perechii particulă-antiparticulă să treacă dincolo de orizontul evenimentelor, iar celălalt să scape. Dar aici apare o problemă legată de conservarea energiei totale. Este neapărat nevoie ca particula care trece de orizontul evenimentelor să aibă o energie negativă. Prin acest proces gaura neagră pierde din masă (se evaporă) iar un observator extern va vedea cum gaura neagră emite radiații. Este vorba despre faimoasa radiație Hawking. Acesta a fost micul nostru experiment imaginar.

Rezumăm: modificând local geometria Universului, am putea construi niște scurtături, sub forma unor găuri de vierme. Ar mai fi ceva de spus în acest moment. Scurtătura se realizează în spațiu și în timp. Altfel spus, o gaură de vierme ar putea fi și o mașină a timpului…

Sună foarte frumos și sunt extrem de atrăgătoare aceste găuri de vierme. Mai ales în filme ele arată foarte promițător. Dar să nu uităm… ele au nevoie de această ”materie exotică”. Am putea scăpa de ea și totuși să realizăm călătorii prin Univers? Poate că un răspuns a început să fie schițat. Dar pentru vi-l oferi trebuie să ne întoarcem la geometrie. O geometrie complicată, cea de la scara mică a Universului.

Dimensiuni suplimentare
Acest subiect l-am mai abordat, atunci când v-am povestit despre geometria Universului la scară cuantică. Acum voi prezenta numai acele lucruri care ar putea deschide larg poarta către Univers, într-un viitor îndepărtat pe care fizicienii îl construiesc deja.

Bănuiesc că știți deja, în Știință și tehnică s-a vorbit adesea despre asta, fizica modernă are o mare problemă. Avem două teorii fundamentale în fizcă. Una este teoria relativității, care descrie foarte bine ce se întâmplă la scara mare a Universului. A doua este mecanica cuantică, un instrument formidabil pentru a descrie universul la scara submicroscopică a Universului. Problema gravă, care încă nu are o soluție clară, vine din faptul că cele două teorii nu se împacă una cu alta, ele fiind principial diferite. Ar fi nevoie de o teorie, una singură, în cadrul căreia teoria relativității și mecanica cuantică să fie numai niște cazuri particulare. Aceasta are deja un nume: Teoria Totului (Theory of Everything, ToE). Teoria Totului, așa cum îi spune și numele, ar trebui să poată explica toate fenomenele din fizică, indiferent de scara la care se produc.

Deocamdată nu avem așa ceva. Avem în schimb speranțe, tentative promițătoare în această direcție. Una dintre ele este teoria stringurilor. Extrem de simplificat putem spune că în teoria stringurilor, cuarcii, electronii, gravitonii etc., nu sunt niște obiecte punctiforme, ci niște corzi unidimensionale care vibrează într-un spațiu 11-dimensional. Îmi dau seama că este greu de vizualizat așa ceva, că este dincolo de bunul nostru simț o geometrie în care să nu mai avem obișnuitele noastre trei dimensiuni spațiale ci 11! Noi nu vedem aceste dimensiuni suplimentare, nici măcar nu le putem intui. Asta deoarece suntem niște oameni obișnuiți. Dar, atunci când se încearcă a se explica lumea fizică, suntem împinși adesea către concluzii pe care nu le putem înțelege numai cu simțurile. Un exemplu în acest sens l-am mai dat. Nici unul dintre noi nu percepe curbarea spațiu-timpului, nici unul dintre noi nu vede direct cum se curbează raza de lumină atunci când trece pe lângă o masă mare. Einstein a introdus această idee în teoria generală a relativității pentru o descriere mai bună a gravitației. Până la el avansul de periheliu al planetei Mercur era de neexplicat. Aplicând teoria lui Einstein acest avans de periheliu poate fi calculat cu precizie. Gândind că spațiu-timpul se curbează, Einstein a reușit să rezolve o problemă veche. Apropo, analogia cu foaia de cauciuc pe care pui o bilă grea pentru a sugera cum este curbat spațiu-timpului îi aparține chiar lui Einstein. El știa să își popularizeze știința.

Același lucru este valabil și în teoria stringurilor. Dacă adăugăm spațiu-timpului dimensiuni suplimentare, reușim să rezolvăm multe probleme și, se speră, se va reuși elaborarea unei ToE, o Teorie a Totului. Vom mai vorbi și cu altă ocazie despre aceste dimensiuni suplimentare, ele țin de geometria universului mic. De ce nu le vedem? Nu le vedem pentru că ele sunt ”compactate”, va supune un fizician. Credem că v-ar putea ajuta o analogie. Imaginați-vă o mică insectă care merge pe un fir lung de ață. Ea vede că se poate deplasa înainte și înapoi. Pentru ea spațiul este unidimensional, pentru că firul este infinit de subțire. Simțurile nu o pot ajuta să vadă grosimea firului. Aceasta, pentru spațiul ei fizic, este o dimensiune suplimentară, compactată. Dacă veți extinde această analogie la spațiul în care trăim noi, atunci veți avea o imagine a acestor dimensiuni suplimentare. Apropo… există o întreagă geometrie a acestui spațiu fizic al teoriei stringurilor. Ea poarta numele de varietate Calabi Yau. Nu vă temeți, nu voi mai vorbi acum despre asta, pentru că v-am povestit deja despre acest obiect matematic în articolul Spuma cuantică – geometria la scara Planck a Universului. Poate că, până atunci LHC-ul ne-ar putea aduce dovada existenței acestor dimensiuni suplimentare, o confirmare care, cel puțin pentru mine, este echivalentă cu confirmarea existenței bozonului Higgs.

Știu deja ce vă spuneți în minte. Îmi reproșați că m-am abătut de la subiectul găurilor de vierme. Poate că aveți dreptate dar mă tem că, fără explicațiile fugare de mai sus, mi-ar fi fost tare greu să vă vorbesc despre cele ce urmează.

Teoria gravitației extinsă
La începutul acestui an am descoprit pe arxiv (o bază de date foarte importantă care conține articole din fizică și nu numai) o lucrare care avea un titlu foarte atrăgător pentru mine, cel ce visează să hoinărească prin Univers. Cred că și pentru dumneavoastră ”Stable Lorentzian Wormholes in Dilatonic Einstein-Gauss-Bonnet Theory” (Găuri de vierme lorentziene stabile în teoria dilatonică Einstein-Gauss-Bonnet) sună foarte atrăgător. Lucrarea, semnată de Panagiota Kanti, Burkhard Kleihaus și Jutta Kunz, care a fost publicată între timp în Physical Review Letter D, în 6 februarie 2012, trata tocmai subiectul pe care îl abordez în acest articol. Desigur, este vorba despre un text plin de formule și de exprimări greu de înțeles pentru mine. Dar eu am un mic truc, pe care vi-l mărturisesc și dumneavoastră. Orice lucrare științifică are câteva secțiuni care uneori pot fi accesibile și nouă, muritorilor. În primul rând este vorba despre rezumatul articolului (abstract-ul), apoi urmează capitolul introductiv și, în cele din urmă, concluziile. În aceste zone ale unui articol științific oricare dintre dv pot găsi lucruri extrem de digerabile.

În articolul despre care vă vorbesc se începea cu enunțarea problemei. Se vorbea, printre altele, de găurile de vierme ale lui Kip Thorne, care au nevoie de acea ”materie exotică” pentru a fi construite astfel încât să putem călători prin ele. Apoi autorii suțineau că au găsit o altă cale pentru a realiza aceste găuri de vierme traversabile. Mai bine zis, ei spuneau că aceste găuri de vierme traversabile nu trebuie construite, ele există deja în Univers. Pentru a le demonstra existența autorii au folosit ” teoria dilatonică Einstein-Gauss-Bonnet”. Aici m-am încurcat. De aici încolo, oricât m-am străduit, nu am putut merge mai departe. Cum dădeam căutare pe Google, pentru respectiva teorie, nimeream în locuri în care prima formalismul matematic, iar explicațiile pentru omul de rând lipseau cu desăvârșire.

Norocul meu a fost că și colegii noștri de la New Scientist s-au ocupat de acest subiect, în numărul din 10 martie 2012.

Așa am putut să am confirmarea că teoria dilatonică Einstein-Gauss-Bonnet reprezintă teoria gravitației a lui Einstein modificată în așa fel încât să ia în calcul efectele existenței dimensiunilor suplimentare. Este vorba despre o extensie a teoriei gravitației care poate fi folosită în cadrul mai general al teoriei stringurilor. Așa cum vă spuneam mai devreme această teorie încearcă o unificare între mecanica cuantică și teoria relativității.
Mai aveam o problemă, care mi-a dat mult de furcă.

Ați remarcat că avem o ”teorie dilatonică”. Ce vrea să însemne asta? Aici New Scientist nu mi-a mai fost de nici un ajutor. A trebuit să caut eu prin diferitele surse de informare. Prea puține lucruri am găsit. Pe site-ul revistei britanice, singura referire era tocmai articolul din 2012. În alte locuri, pe care le frecventez pentru a înțelege lucrurile complicate din fizică, nu găseam nici măcar o referire la dilaton. Pe Wikipedia era ceva de neînțeles… dar să nu vă rețin prea mult cu neliniștile mele. Am descoperit, în cele din urmă, un articol publicat în aprilie 2004 de către revista Scientific American. Articolul avea titlul ”The Myth of the Beginning of Time” (Mitul începutului timpului) și era semnat de Gabriele Veneziano, unul dintre întemeietorii teoriei stringurilor. El vorbește acolo, printre altele, despre constantele fundamentale ale fizicii și despre ”[…] este dilatonul, cheia de boltă a teoriei stringurilor. El determină valoarea tuturor interacțiilor [fundamentale]. Dilatonul îi fascinează pe fizicieni deoarece el poate fi reinterpretat ca o cauză pentru unele dimensiuni suplimentare ale spațiului, dând spațiu-timpului 11 dimensiuni.” Altfel spus, dilatonul este o particulă ipotetică care produce un așanumit ”câmp dilatonic”. Acest câmp face ca dimensiunile suplimentare ale spațiului să se ”compacteze”, făcându-le invizibile pentru noi. Încă o remarcă: acest câmp dilatonic ar putea fi responsabil de expansiunea accelerată a Universului, el fiind cel care se află ”în spatele” energiei întunecate.
Acum, cu aceste lămuriri, putem merge mai departe.

Tuneluri prin Univers
Cei de la New Scientist au mai făcut ceva. Au discutat cu Burkhard Kleihaus, unul dintre autorii lucrării despre care vă vorbeam mai devreme. În primele momente de existență a Universului nostru, în momentul declanșării Big Bang-ului, Universul nostru era dominat de legile care guvernează mecanica cuantică. La scara cuantică a lumii, dacă am putea vedea cu un microscop, am putea vedea, spune teoria, nu numai apariția și dispariția perechilor particulă-antiparticulă, ci și cum apar și dispar găuri de vierme. Kleihaus spunea, pentru New Scientist, că o parte din aceste găuri de vierme au expandat o dată cu Universul, de la Big Bang încoace. Ele sunt stabile și, așa cum se demonstra în lucrarea publicată în Physical Review Letters D, ele ar putea fi traversate de către niște călători ipotetici. Ar fi extraordinar, spun eu, să cartografiem cumva aceste găuri de vierme, pentru ca viitorul mai mult sau mai puțin îndepărtat să ne transforme în călători prin spațiu-timp.

Dar să nu uităm un lucru. Avem de-a face cu niște concluzii teoretice. Oricât de corect ar fi folosită matematica, asta nu ne îndreptățește să afirmăm că aceste găuri de vierme, prezise pe baza teoriei dilatonice Einstein-Gauss-Bonnet, există cu adevărat. Încă nu putem afirma despre ele că ar constitui vreo realitate fizică. Mai este nevoie de ceva, de o dovadă, pe care să o putem obține acum sau mai târziu. În absența unei dovezi nu doar o ipoteză care, oricât de frumoasă ar fi, nu poate face mai mult decât să ne stârnească imaginația. Care ar fi dovada existenței acestor găuri de vierme traversabile și cum am putea să o obținem?

Răspunsul îl avem tot de la Kleihaus. El povestea celor de la New Scientist că efectele din jurul intrării unei găuri de vierme traversabile sunt foarte asemănătoare cu cele produse în jurul unei găuri negre. Și acolo apare așanumitul disc de acreție, o zonă în care materia, accelerată de forța grvitațională uriașă a găurii negre, se rupe până la nivel de particule elementare. Iar cum căderea spre gaura neagră se face pe o traiectoria spiralată, particulele încărcate vor emite radiații X, așa numita radiație sincrotron. Putem detecta cu telescoape care pot ”vedea” aceste radiații X, discul de acreție din jurul unei găuri negre și, mai apoi, putem afirma că în centrul lui se găsește o gaură neagră. Dar, spune Kleihaus, dacă rezoluția telescoapelor în radiații X ar fi suficient de mare, am putea face diferența dintre o gaură neagră și una de vierme. În primul caz, în centrul discului de acreție vom avea o zonă întunecată, din care nu ne vine nimic. În cel de-al doilea caz, al găurii de vierme, am avea și acolo o sursă de radiații. Ea este reprezentată de către fotonii care traversează gaura de vierme și care vin dintr-un cu tot alt loc din Univers.

Ar mai fi și alte efecte care ar marca existența unei găuri de vierme traversabile, spune Kleihaus. Ele ar trebui să producă efecte de tip lentilă gravitațională, care ar putea fi detectate de pe Pământ.

Tocmai am spus că dacă rezoluția telescoapelor noastre este scăzută nu am putea deosebi o gaură neagră de una de vierme. În ambele cazuri apare un disc de acreție, în ambele cazuri forțe gravitaționale uriașe vor fărâma materia până la ultimele sale componente. Nu prea este convenabil așa ceva pentru viitorii călători intergalactici. Poate că sunt traversabile aceste găuri de vierme, dar nu putem face călătorii cu ajutorul lor. Kleihaus spune că și în acest caz avem o speranță. Atunci când diametrul intrării este suficient de mare forțele gravitaționale sunt suportabile pentru oameni și mașinile lor de călătorit. Cât de mari ar trebui să fie aceste intrări? Pentru o călătorie confortabilă intrarea într-o gaură de vierme traversabilă ar trebui să aibă un diametru de câteva sute de ani-lumină. De aici concluzia vine singură. Găurile de vierme pentru călătorit prin spațiu-timp nu le vom găsi în interiorul galaxiei, ci în uriașele spații goale dintre galaxii. Acolo va trebui să le căutăm.

O concluzie
Trebuie să vă spun încă o dată. Suntem în lumea ipotezelor. Ne aflăm în zona în care măsurători, experimente sau teorii viitoare ar putea dărâma toate cele pe care le-am enunțat în cuvintele din acest articol. Dar se cuvine a fi precizat faptul că avem de-a face cu ipoteze bine ancorate în argumente științifice. Iar asta ne dă voie să ne imaginăm viitoare călătorii prin spațiu-timp, chiar dacă concluzii viitoare le vor interzice definitiv. Dar și atunci, sunt sigur, alte vise, la fel de fascinante, vor ieși la iveală. Știința – oricât de sceptică ar fi – ne oferă deseori asemenea ocazii.

Sursa