Comment serrer la main de vous-même, qui est venu du futur? Pourquoi un lion peut-il soudainement se matérialiser dans votre chambre? Comment se rendre dans un autre univers, visiter une machine à remonter le temps et qu'est-ce qu'un «trou blanc»? Sergey Krasnikov, chercheur principal au Star Physics Laboratory de l'Observatoire principal (Pulkovo), en a parlé.
Sergey Vladilenovich, qu'est-ce qu'un trou de ver?
- Il n'y a pas de définition très stricte. De telles définitions sont nécessaires lorsque vous démontrez certains théorèmes, mais il n'y a presque pas de théorèmes rigoureux, par conséquent, ils sont principalement limités aux concepts figuratifs, les images. Imaginez que nous ayons sorti une balle de notre espace tridimensionnel dans une pièce et que nous ayons pris exactement la même balle dans une autre pièce, et collé les limites résultantes de ces trous.
Ainsi, lorsque dans une pièce nous entrons dans cette ancienne balle, qui est devenue un trou, nous émergerons dans une autre pièce - d'un trou qui s'est formé à la place d'une autre balle. Si notre espace n'était pas tridimensionnel, mais bidimensionnel, il ressemblerait à une feuille de papier sur laquelle un stylo est collé. L'analogue tridimensionnel et son développement au fil du temps s'appellent un trou de ver.
Comment les vortex sont-ils étudiés?
- C'est une activité purement théorique. Personne n'a jamais vu de trous de ver et, en général, il n'y a aucune certitude qu'ils existent du tout. Ils ont commencé à étudier les trous de ver, à partir de la question: existe-t-il de tels mécanismes dans la nature qui nous garantiraient que de tels trous dans la nature ne peuvent exister? Ces mécanismes n'ont pas été trouvés, nous pouvons donc supposer que les trous de ver sont un vrai phénomène.
Est-il possible, en principe, de voir un trou de ver?
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- Bien sûr. Si, dans une pièce verrouillée, vous sortez soudain de nulle part, vous observez un trou de ver. Les trous de ver en tant qu'objet d'étude ont été inventés et promus par le physicien théoricien américain John Wheeler, qui, avec leur aide, voulait expliquer, ni plus, ni moins - les charges électriques. Expliquons-nous. Décrire un champ électrique libre du point de vue de la physique théorique n'est pas une tâche très difficile.
Mais il est très difficile de décrire une charge électrique du même point de vue. Une charge électrique apparaît en ce sens comme une chose très mystérieuse: une substance, séparée du champ, d'origine inconnue, et on ne sait pas comment la gérer en physique classique. L'idée de Wheeler était la suivante. Disons que nous avons un trou de ver microscopique, qui est criblé de lignes de force - d'une extrémité ces lignes y entrent et de l'autre elles sortent.
Un observateur extérieur qui ne sait pas que ces deux extrémités sont reliées par des lignes de force, un tel objet le percevra comme une simple sphère dans l'espace, examinera le champ qui l'entoure, et il ressemblera au champ d'une charge ponctuelle. Seulement à l'observateur, il semblera qu'il s'agit d'une sorte de substance mystérieuse qui a une charge, etc., et tout cela parce qu'il ne sait pas qu'il s'agit en fait d'un trou de ver.
Bien sûr, c'est une idée très élégante, et beaucoup ont essayé de la développer, mais ils n'ont pas fait beaucoup de progrès, car les électrons sont, après tout, des objets quantiques, et naturellement, personne ne sait comment décrire les trous de ver au niveau quantique. Mais si nous supposons que l'hypothèse est correcte, alors les trous de ver sont plus qu'un phénomène quotidien, tout ce qui est lié à l'électricité sera finalement lié à eux.
La matière exotique est un concept classique de la physique qui décrit toute substance (généralement hypothétique) qui viole une ou plusieurs conditions classiques, ou ne se compose pas de baryons connus. Ces substances peuvent avoir des qualités telles que la densité d'énergie négative ou repousser plutôt que d'attirer en raison de la gravité. La matière exotique est utilisée dans certaines théories, comme la théorie de la structure des trous de ver. Le représentant le plus célèbre de la matière exotique est le vide dans la région à pression négative produite par l'effet Casimir.
Quel genre de trous de ver y a-t-il?
- Du point de vue du voyage théorique, il existe des trous de ver praticables et infranchissables. Les infranchissables sont ceux par lesquels le passage est détruit, et cela se produit si rapidement qu'aucun objet n'a simplement le temps de passer d'un bout à l'autre. Bien sûr, le plus intéressant à étudier est le deuxième type de trous de ver - passables. Il existe même une belle théorie qui dit que ce que nous avions l'habitude de considérer comme des trous noirs supermassifs dans les centres des galaxies sont en fait les bouches de trous de ver. Cette théorie est quasiment peu développée et, naturellement, n'a pas encore trouvé de confirmation, elle existe plutôt comme une sorte d'idée. Son essence est qu'en dehors du trou de ver, vous ne voyez qu'au centre de la galaxie il y a un certain objet à symétrie sphérique, mais vous ne pouvez pas dire ce que c'est - un trou de ver ou un trou noir.parce que vous êtes en dehors de cet objet.
En fait, ils ne peuvent être distingués que par un paramètre - la masse. Si la masse s'avère négative, il s'agit probablement d'un trou de ver, mais si la masse est positive, des informations supplémentaires sont nécessaires, car le trou noir peut s'avérer être un trou de ver. La masse négative en général est l'un des moments centraux de toute l'histoire du vortex. Parce que pour être praticable, un trou de ver doit être rempli de ce qu'on appelle une substance exotique - une substance dans laquelle, au moins à certains endroits, à certains points, la densité d'énergie est négative.
Au niveau classique, personne n'a jamais vu une telle substance, mais nous savons avec certitude qu'elle peut exister en principe. Des effets quantiques ont été enregistrés qui conduisent à l'apparition d'une telle substance. C'est un phénomène assez connu et il s'appelle l'effet Casimir. Il a été officiellement enregistré. Et c'est précisément lié à l'existence d'une densité d'énergie négative, ce qui est très inspirant.
L'effet Casimir est un effet consistant en l'attraction mutuelle de corps conducteurs non chargés sous l'influence de fluctuations quantiques dans le vide. Le plus souvent, on parle de deux surfaces miroirs parallèles non chargées placées à une distance rapprochée, mais l'effet Casimir existe aussi pour des géométries plus complexes. La raison de cet effet est les fluctuations d'énergie du vide physique dues à la création et à la disparition constantes de particules virtuelles. L'effet a été prédit par le physicien néerlandais Hendrik Casimir en 1948 et confirmé plus tard expérimentalement.
En général, en science quantique, la densité d'énergie négative est une chose assez courante, à laquelle, par exemple, l'évaporation de Hawking est associée. Si une telle densité existe, on peut se poser la question suivante: quelle est la masse du trou noir (le paramètre du champ gravitationnel créé par celui-ci)? Il existe une solution à ce problème qui est applicable aux trous noirs - c'est-à-dire aux objets de masse positive, et il existe une solution applicable à une masse négative.
S'il y a suffisamment de matière exotique dans le trou de ver, alors en dehors de la masse de cet objet sera négative. Par conséquent, l'un des principaux types d '"observation" des trous de ver est le suivi d'objets par rapport auxquels on peut supposer qu'ils ont une masse négative. Et si nous trouvons un tel objet, alors avec un degré de probabilité assez élevé, nous pouvons dire qu'il s'agit d'un trou de ver.
Les trous de ver sont également divisés en intra-monde et inter-monde. Si nous détruisons le tunnel entre les deux bouches du deuxième type de trous, nous pourrons voir deux univers totalement indépendants. Un tel trou de ver s'appelle interworld. Mais si nous faisons de même et voyons que tout va bien - nous sommes restés dans le même univers - alors nous avons un trou de ver intra-monde devant nous. Ces deux types de trous de ver ont beaucoup en commun, mais il y a aussi une différence importante. Le fait est que le vortex intra-mondial, s'il existe, a tendance à se transformer en une machine à remonter le temps. En fait, c'est dans le contexte de cette hypothèse que la dernière vague d'intérêt pour les trous de ver est survenue.
Dans le cas d'un trou de ver intra-mondial, il existe deux manières différentes de regarder un voisin: directement à travers le tunnel ou de manière détournée. Si vous commencez à bouger une bouche d'un trou de ver par rapport à l'autre, alors, conformément au paradoxe bien connu des jumeaux, la deuxième personne, revenant du voyage, sera plus jeune que celle qui est restée. En revanche, lorsque vous regardez à travers le tunnel, vous êtes tous les deux assis dans des laboratoires immobiles, de votre point de vue, rien ne se passe, vos horloges sont synchronisées. Ainsi, vous avez l'opportunité théorique de plonger dans ce tunnel et d'en sortir à un moment qui, du point de vue d'un observateur extérieur, précède le moment où vous avez plongé. Le retard amené à un degré approprié donnera lieu à la possibilité d'un tel déplacement circulaire dans l'espace-temps,lorsque vous revenez à votre point de départ d'origine et que vous serrez la main de votre incarnation précédente.
Le paradoxe des jumeaux est une expérience de pensée avec laquelle ils essaient de «prouver» l'incohérence de la théorie spéciale de la relativité. Selon SRT, du point de vue des observateurs «stationnaires», tous les processus d'objets en mouvement ralentissent. D'autre part, le principe de relativité déclare l'égalité des référentiels inertiels. Sur cette base, le raisonnement se construit, conduisant à une apparente contradiction. Pour plus de clarté, l'histoire de deux frères jumeaux est considérée. L'un d'eux (le voyageur) effectue un vol spatial et le second (rester à la maison) reste sur Terre. Le plus souvent, le «paradoxe» est formulé comme suit:
Du point de vue d'une patate de canapé, l'horloge d'un voyageur en mouvement a un passage lent du temps, donc lors du retour, elle devrait être en retard sur l'horloge d'une patate de canapé. D'un autre côté, la Terre bougeait par rapport au voyageur, de sorte que l'horloge du casanier devrait être à la traîne. En fait, les frères sont égaux, donc après le retour, leurs montres devraient afficher la même heure. Cependant, selon le SRT, la montre du voyageur sera à la traîne. Cette violation de la symétrie apparente des frères est vue comme une contradiction.
Quelle est la différence fondamentale entre un trou de ver et un trou noir?
- Tout d'abord, je dois dire qu'il existe deux types de trous noirs - ceux qui se sont formés à la suite de l'effondrement des étoiles, et ceux qui existaient initialement, sont apparus avec l'émergence de l'Univers lui-même. Ce sont deux types fondamentalement différents de trous noirs. À une époque, il existait un concept tel que «trou blanc», maintenant il est rarement utilisé. Un trou blanc est le même trou noir, mais évoluant dans le temps. La matière vole juste dans un trou noir, mais elle ne peut jamais s'en échapper. D'un trou blanc, au contraire, la matière ne fait que s'envoler, mais vous ne pouvez en aucun cas y entrer. En fait, c'est une chose très naturelle si l'on se souvient que la théorie générale de la relativité est symétrique dans le temps, ce qui signifie que s'il y a des trous noirs, des trous blancs doivent aussi exister. Leur totalité est un trou de ver.
Que sait-on de la structure interne des trous de ver?
- Jusqu'à présent, dans ce sens, seuls des modèles sont en cours de construction. D'une part, nous savons que l'apparition de cette matière exotique peut avoir été découverte même expérimentalement, et il y a encore beaucoup de questions. Le seul modèle de trou de ver que je connaisse qui soit plus ou moins conforme à la réalité est le modèle d'un trou de ver qui s'évapore initialement (depuis le début de l'Univers). Du fait de cette évaporation, un tel trou reste praticable pendant longtemps.
Sur quoi travaillez-vous exactement?
- Je suis engagé dans une activité purement théorique, ce que l'on peut généralement appeler la structure causale de l'espace-temps est la théorie classique de la relativité, parfois semi-classique (le quantum, comme vous le savez, n'existe pas encore).
Dans la théorie non relativiste classique, on peut trouver des preuves suffisamment convaincantes que le voyage dans le temps ne peut pas exister, mais en relativité générale, il n'y a pas de telles preuves. Et Einstein, quand il développait juste sa théorie, en était conscient. Il s'est demandé s'il y avait un moyen d'exclure cette possibilité. Ensuite, il n'a pas fait face à cette tâche, comme il l'a lui-même dit plus tard. Bien qu'Einstein ait créé un langage pour étudier cette question, la tâche est restée académique. L'intérêt pour celui-ci explosa à la fin des années 1940 lorsque Gödel proposa un modèle cosmologique contenant de telles courbes fermées.
Mais comme Gödel offrait toujours quelque chose d'exotique, ils y ont réagi avec intérêt, mais sans conséquences scientifiques sérieuses. Et puis, vers la fin du siècle dernier, grâce principalement à la science-fiction - par exemple, le film "Contact" avec Jodie Foster - l'intérêt pour le thème du voyage dans le temps à l'aide de trous de ver a été relancé. L'auteur du roman, selon lequel le scénario du film a été écrit, est un astronome très célèbre, vulgarisateur de la science Carl Sagan.
Il a abordé la question très sérieusement et a demandé à son ami, également très célèbre relativiste, Kip Thorne, de voir si tout ce qui était décrit dans le film était possible du point de vue de la science. Et il a publié un article semi-populaire dans le magazine pour les professeurs de physique américains "Les trous de ver comme outil pour étudier la théorie générale de la relativité", où il a envisagé la possibilité de voyager dans le temps à travers les trous de ver.
Et je dois dire qu'alors dans la science-fiction, l'idée de voyager à travers les trous noirs était populaire. Mais il a compris qu'un trou noir est un objet absolument impénétrable - voyager à travers eux est impossible, il a donc considéré les trous de ver comme une opportunité de voyager dans le temps. Bien que cela ait été connu auparavant, mais pour une raison quelconque, les gens ont pris ses conclusions comme une idée complètement nouvelle et se sont précipités pour enquêter. De plus, l'accent a été mis sur la présomption qu'une machine à voyager dans le temps ne peut exister, mais nous avons décidé de découvrir pourquoi. Et assez rapidement, il est devenu clair qu'il n'y avait aucune objection évidente à l'existence d'une telle machine. Depuis lors, des études à plus grande échelle ont commencé et des théories ont commencé à apparaître. En général, depuis, je fais aussi cela.
"Contact" est un film de science-fiction de 1997. Réalisé par Robert Zemeckis. Intrigue principale: Ellie Arroway (Judy Foster) a consacré toute sa vie à la science, elle devient une participante à un projet de recherche d'intelligence extraterrestre. Toutes les tentatives de recherche de signaux extraterrestres sont infructueuses, et l'avenir de son projet est en jeu. Ellie cherche désespérément à trouver du soutien, mais reçoit de manière inattendue l'aide de l'excentrique milliardaire Hadden. Et voici le résultat - Ellie prend le signal. Le décodage du signal montre qu'il contient une description du dispositif technique. Son objectif n'est pas clair, mais une place pour une personne est prévue à l'intérieur.
Après la création et le lancement de l'appareil, Ellie se lance dans un voyage à travers le système de trous de ver et est transportée, probablement vers une planète dans un autre système stellaire. En se réveillant là-bas, au bord de la mer, elle rencontre un représentant d'une autre civilisation, qui a choisi l'image de son défunt père. En regardant autour de lui, l'héroïne se rend compte que cette zone a été recréée par un esprit extraterrestre dans son esprit à l'image d'un dessin qu'elle a dessiné dans son enfance. L'alien lui dit que l'appareil permet d'organiser un système de voies de communication interstellaires, et la Terre devient désormais membre de la communauté des civilisations de l'Univers.
Ellie revient sur Terre. Du point de vue des observateurs extérieurs, après le lancement de l'installation, rien ne lui est arrivé et son corps n'a pas quitté notre planète. Ellie se retrouve dans une situation paradoxale. En tant que scientifique, du point de vue d'une science rigoureuse, elle ne peut en aucun cas confirmer ses propos. Une autre circonstance se révèle également: la caméra vidéo attachée à Ellie pendant le voyage n'a rien enregistré, mais la durée de l'enregistrement vierge n'était pas de quelques secondes, mais de 18 heures …
Est-il possible de "faire" un trou de ver?
- À ce sujet, il y a un résultat scientifique strict. Cela est dû au fait qu'il n'y a pas de résultats exacts sur l'étude des trous de ver. Il y a un théorème prouvé il y a longtemps, et il dit ce qui suit. Il existe une hyperbolicité globale. Dans ce cas, peu importe ce que cela signifie, mais le fait est que même si et puisque l'espace est globalement hyperbolique, il est impossible de créer un trou de ver - il peut exister dans la nature, mais vous ne pouvez pas le faire vous-même.
Si vous parvenez à briser l'hyperbolicité globale, vous pouvez peut-être créer un trou de ver. Mais le fait est que cette violation en elle-même est une chose tellement exotique, si mal étudiée et mal comprise que l'effet secondaire de la naissance d'un trou de ver est déjà relativement mineur par rapport au fait même que vous ayez réussi à violer l'hyperbolicité globale.
Une chose très célèbre se déroule ici, appelée «principe de censure cosmique stricte», qui dit que l'espace est toujours globalement hyperbolique. Mais ceci, en principe, n'est rien de plus qu'un souhait. Il n'y a aucune preuve de l'exactitude de ce principe, il y a juste une certaine confiance intérieure inhérente à beaucoup de gens que l'espace-temps devrait être globalement hyperbolique. Si tel est le cas, il est impossible de créer un trou de ver - vous devez en rechercher un existant. Pendant ce temps, de sérieux doutes sur la fidélité du principe de la censure cosmique ont été exprimés par l'auteur lui-même - Roger Penrose, mais c'est une autre histoire.
Autrement dit, créer un trou de ver nécessite des coûts énergétiques importants?
- C'est très difficile de dire quelque chose ici. Le problème est que lorsque votre hyperbolicité globale est violée, alors en même temps la prévisibilité est violée - c'est pratiquement la même chose. Vous pouvez en quelque sorte modifier géométriquement l'espace autour de vous, par exemple, prendre un sac et le mettre à un autre endroit. Mais il existe certaines limites à l'intérieur desquelles vous pouvez faire cela, en particulier la limite imposée par la prévisibilité. Par exemple, vous pouvez parfois dire ce qui va se passer dans 2 secondes, et parfois non. La limite de ce que vous pouvez ou ne pouvez pas prédire réside précisément dans l'hyperbolicité globale. Si votre espace-temps est globalement hyperbolique, vous pouvez prédire son évolution.
Si nous supposons qu'à un moment donné, cela viole l'hyperbolicité globale, tout devient très mauvais avec la prévisibilité. Par conséquent, une chose étonnante survient, par exemple, telle qu'ici et maintenant un trou de ver peut se matérialiser à travers lequel un lion sautera. Ce sera un phénomène exotique, mais il ne violera aucune loi de la physique. D'un autre côté, vous pouvez dépenser beaucoup d'efforts, d'argent et de ressources pour faciliter en quelque sorte ce processus. Mais le résultat sera toujours le même - dans les deux cas, vous ne savez pas si un trou de ver apparaîtra ou non. En physique classique, nous ne pouvons rien y faire - s’il le veut, il le fera, il ne le veut pas, il ne se posera pas - la science quantique ne nous donne pas encore d’indices à ce sujet.
Le principe de la «censure cosmique» a été formulé en 1969 par Roger Penrose sous la forme figurative suivante: «La nature a horreur d'une singularité nue». Il dit que les singularités de l'espace-temps apparaissent dans des endroits qui, comme les régions internes des trous noirs, sont cachés aux observateurs. Ce principe n'a pas encore été prouvé, et il y a des raisons de douter de son exactitude absolue (par exemple, l'effondrement d'un nuage de poussière avec un grand moment angulaire conduit à une «singularité nue», mais on ne sait pas si cette solution des équations d'Einstein est stable vis-à-vis de petites perturbations des données initiales).
La formulation de Penrose (une forme forte de censure cosmique) suggère que l'espace-temps dans son ensemble est globalement hyperbolique.
Plus tard, Stephen Hawking a proposé une formulation différente (une forme faible de censure cosmique), où seule l'hyperbolicité globale de la composante «future» de l'espace-temps est supposée.
Olga Fadeeva