宇宙飛行士はワームホールを通して星間旅行を生き延びますか？ | 科学| スミソニアン - 記事、芸術と文化、科学、宇宙、宇宙探査

宇宙オペラInterstellarでは、人類を救おうとする宇宙飛行士が生命線を見つけました。土星の隣に神秘的に現れたワームホールです。時空を通るトンネルは、遠くの銀河につながり、人間が植民地化できる居住可能な惑星を見つける機会をもたらします。映画のワームホールは、退職したCalTech教授のキップ・ソーンの天体物理学の先駆者であり、Carl Saganが小説Contactのワームホールを設計するのを手伝った物理学に基づいています。視覚化は見事で、フィルムのワームホールとブラックホールの最も正確なシミュレーションの一部として歓迎されています。しかし、この映画が扱っていない星間表現への突入の側面が1つあります。旅行をどのように生き延びますか？

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彼らはそれをそう呼ばなかったが、元のワームホールはアルバート・アインシュタインと彼の助手ネイサン・ローゼンの発案によるものだった。彼らは、重力や物質を構成する粒子を含む、宇宙全体の純粋に数学的なモデルを最終的に導く方法で、一般相対性理論のアインシュタインの方程式を解こうとしました。彼らの試みは、空間を「ブリッジ」でつながれた2つの幾何学的なシートとして表現することでした。

別の物理学者、ルートヴィヒ・フラムは、アインシュタインの方程式の解法で、1916年にそのような橋を独自に発見しました。残念なことに、理論的な橋は最終的に実際の粒子のように振る舞わなかったため、この「すべての理論」はうまくいきませんでした。しかし、アインシュタインとローゼンの1935年の論文は、時空の構造を通るトンネルの概念を普及させ、他の物理学者にその意味について真剣に考えさせました。

プリンストンの物理学者ジョン・ウィーラーは、1960年代にアインシュタイン・ローゼン橋のモデルを調査していたときに「ワームホール」という用語を作り出しました。彼は、この橋は虫がりんごに開けた穴に似ていると指摘した。リンゴの片側から別の側にrawう蟻は、その曲面の周りをずっと歩き回るか、ワームのトンネルを通り抜けることができます。ここで、3次元の時空が、「バルク」と呼ばれる高次元の周りを曲がるリンゴの皮であると想像してください。アインシュタイン-ローゼン橋は、旅行者が空間内の2つの地点の間を高速で移動できるようにするための、バルクを通るトンネルです。奇妙に聞こえますが、それは一般相対性理論の合法的な解決策です。

ウィーラーは、アインシュタイン・ローゼン橋の口が、シュヴァルツシルトブラックホールと呼ばれるものの説明と手軽に一致していることを認識しました。ああ！天文学者は、ブラックホールが存在し、非常に重い星のコアが崩壊するときに形成されると考えています。それで、ブラックホールはワームホールであるかもしれません、そして、それで星間旅行への玄関口ですか？数学的に言えば、多分—しかし、誰も旅行を生き残ることはできません。

シュワルツシルトモデルでは、ブラックホールの暗い中心は特異性、無限密度のニュートラル、不動球です。ウィーラーは、宇宙の遠く離れた部分にある2つの特異点がバルクで合体し、シュワルツシルトブラックホール間にトンネルを形成したときにワームホールが発生した場合に何が起こるかを計算しました。彼は、そのようなワームホールが本質的に不安定であることを発見しました。トンネルが形成されますが、その後、収縮してピンチオフし、わずか2つの特異点であなたをもう一度残します。この成長と収縮のプロセスは非常に速く起こるので、光さえトンネルを通過できず、通過しようとする宇宙飛行士は特異点に遭遇します。巨大な重力が旅行者を引き裂くので、それは突然の死です。

「旅行を試みるものは何でも、ピンチオフで破壊されます！」ソーンは映画『星の科学 』の彼の仲間の本に書いています。

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別の方法があります：カーの回転ブラックホール、これは一般相対性理論の別の可能性です。カーブラックホール内の特異点は球体とは対照的にリングであり、一部のモデルは、フープを通るバスケットボールのようにこのリングの中心をきちんと通過すれば旅行を生き延びることができると示唆しているモデルもあります。しかし、ソーンはこの概念に多くの異論を持っています。ワームホールを介した移動に関する1987年の論文で、彼はカーワームホールののどには非常に不安定なコーシー地平線と呼ばれる領域が含まれていると指摘しています。数学では、光さえもこの地平線を通過しようとするとすぐに、トンネルが崩壊すると言います。ワームホールがどうにかして安定化できたとしても、量子理論は内部が高エネルギー粒子で満たされるべきだと教えてくれます。カーワームホールに足を踏み入れると、カリカリに揚げられます。

秘は、物理学がまだ古典的な重力の規則と量子世界を結び付けていないということです。これは、多くの研究者が突き止めようとしている数学のとらえどころのないビットです。写真をひねりながら、プリンストンのフアン・マルダセナとスタンフォードのレナード・サスキンドは、量子オブジェクトがどれだけ離れていてもリンクされている場合、ワームホールはエンタングルメントの物理的兆候に似ているかもしれないと提案した。

アインシュタインは、絡み合いを「遠く離れた不気味な行動」として有名であり、概念に抵抗しました。しかし、多くの実験から、エンタングルメントが現実的であることがわかります。これは、銀行取引などのオンライン通信を保護するためにすでに商業的に使用されています。 MaldacenaとSusskindによると、絡み合いの量が多いと時空のジオメトリが変化し、絡み合ったブラックホールの形でワームホールが発生する可能性があります。しかし、それらのバージョンは星間ゲートウェイではありません。

「それらはあなたが光より速く移動することを許可しないワームホールです」とMaldacenaが言います。「しかし、彼らはあなたが内部で誰かに会うことを許可することができます。そして、彼らは両方とも重力の特異点で死ぬという小さな警告があります。」

OK、ブラックホールが問題です。それでは、ワームホールはどのようになりますか？ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのアビ・ローブは、私たちの選択肢は広く開かれていると述べています。「一般相対性理論を量子力学と確実に統一する理論はまだないので、適応できる可能性のある時空構造の動物園全体を知りませんワームホール。」

インターステラーのトレーラーの静止画は、花のような耐久宇宙船がワームホールに近づいていることを示しています。（パラマウントピクチャーズおよびワーナーブラザーズエンターテインメント、レジェンダリーピクチャーズに関連）

まだ問題があります。ソーンは彼の1987年の研究で、一般的な相対性理論と矛盾しないワームホールは、彼が「エキゾチックな物質」と呼ぶ負のエネルギーによって開かれていない限り崩壊することを発見しました。彼は、真空中の量子ゆらぎが非常に接近して置かれた2つの鏡の間に負圧を作り出すように見えることを示す実験のおかげで、エキゾチックな物質の証拠があると主張します。そしてローブは、私たちの暗黒エネルギーの観測が、異国の物質が存在するかもしれないというさらなるヒントだと考えています。

「最近の宇宙の歴史上、銀河は、反発重力の影響を受けているかのように、時間とともに増加する速度で私たちから逃げてきました」とローブは言います。「この加速された宇宙の膨張は、ワームホールを作るのに必要な材料のように、宇宙が負圧を持つ物質で満たされている場合に説明できます。」しかし、両方の物理学者は、ワームホールが自然に形成されるにはあまりにも多くのエキゾチックな物質が必要であり、ワームホールを安定させるのに十分なものを集めることを望むことができるのは非常に高度な文明だと同意します。

しかし、他の物理学者は納得していません。「安定した通過可能なワームホールは非常に混乱し、私たちが知っている物理学の法則と矛盾しているように思えます」とMaldacenaは言います。スウェーデンの北欧理論物理学研究所のSabine Hossenfelderはさらに懐疑的です。「これが存在するという兆候は絶対にゼロです。実際、真空が不安定だと、存在しないと広く信じられています。」エキゾチックな物質が利用可能であったとしても、それを旅することはきれいではないかもしれません。正確な効果は、ワームホール周辺の時空の曲率と内部のエネルギー密度に依存すると彼女は言います。「ブラックホールの場合とほとんど同じです。潮力が強すぎると、引き裂かれてしまいます。」

ソーンは映画との関係にもかかわらず、トラバース可能なワームホールさえも可能であり、生存率ははるかに低いと悲観的です。「それらが存在できる場合、天体物理学の宇宙で自然に形成できることを非常に疑います」と彼は本に書いています。しかし、ソーンは、 インターステラーを書いたクリストファーとジョナ・ノーランが科学に基づいた物語を語ることに熱心だったことを高く評価しています。

「ストーリーは本質的にすべてクリスとジョナのものです」とソーンはワイアードに独占インタビューで語った。「しかし、その精神は、科学が最初からファブリックに埋め込まれている映画を作るという目標であり、保存されたのは素晴らしい科学です」