Blackholes, Wormholes e décima dimensão

A Física de viagem no tempo

Isso é real, ou é lenda?

No romance de HG Wells, A Máquina do Tempo, o nosso protagonista pulou em uma cadeira especial com luzes piscando, girou uma marca poucos, e viu-se catapultada centenas de milhares de anos no futuro, onde a Inglaterra há muito que desapareceu e agora é habitada por criaturas estranhas chamado de Morlocks e Eloi. Isso pode ter feito grande ficção, mas os físicos sempre ridicularizou a idéia de viajar no tempo, considerando-a do reino de manivelas, místicos e charlatães, e com razão.

No entanto, avanços notáveis ​​em vez de gravidade quântica estão revivendo a teoria, agora se tornou um jogo justo para os físicos teóricos de escrita nas páginas da revista Physical Review. Um problema persistente com o tempo de viagem é que ela está repleta de vários tipos de paradoxos. Por exemplo, existe o paradoxo do homem sem os pais, ou seja, o que acontece quando você voltar no tempo e matar seus pais antes de você nascer? Pergunta: se os seus pais morreram antes de você nascer, então como você poderia ter nascido para matá-los em primeiro lugar?

Há também o paradoxo do homem sem passado. Por exemplo, digamos que um jovem inventor está tentando inutilmente construir uma máquina do tempo em sua garagem.De repente, um homem idoso aparece do nada e dá ao jovem o segredo de construir uma máquina do tempo. O jovem então se torna imensamente rico jogando o mercado de ações, pistas de corrida, e eventos esportivos, porque ele conhece o futuro. Então, como um homem velho, ele decide fazer sua última viagem de volta ao passado e dar o segredo da viagem no tempo para sua auto-juvenil. Pergunta: onde surgiu a idéia da máquina do tempo vem?

Há também o paradoxo do homem que é a própria mãe (as minhas desculpas para Heinlein.) "Jane" é deixado em um orfanato como um enjeitado. Quando "Jane" é uma adolescente, ela se apaixona por um andarilho, que abandona-la, mas deixa-la grávida. Então acontece um desastre. Ela quase morre dando à luz uma menina, que é, então, misteriosamente seqüestrado. Os médicos acham que Jane está sangrando muito, mas, curiosamente, tem órgãos ambos os sexos. Então, para salvar sua vida, os médicos converter "Jane" para "Jim".

"Jim", posteriormente torna-se um bêbado que ruge, até que ele conhece um garçom simpático (na verdade, um viajante do tempo disfarçado) que wisks "Jim" caminho de volta para o passado. "Jim" conhece uma garota linda adolescente, acidentalmente ela fica grávida de uma menina. Fora de culpa, ele seqüestra a menina e cai la fora do orfanato. Mais tarde, "Jim" junta-se ao corpo dos viajantes do tempo, leva uma vida distinta, e tem um último sonho: se disfarçar como um garçom para atender um bêbado, chamado "Jim" no passado. Pergunta: quem é mãe "Jane", pai, irmão, irmã, grand-pai, avó e neto?

Não surpreendentemente, a viagem no tempo sempre foi considerado impossível. Afinal de contas, Newton acreditava que o tempo foi como uma flecha, uma vez disparado, ele subiu em uma linha reta, sem desvios. Um segundo na Terra era um segundo em Marte. Relógios espalhados por todo o universo bater no mesmo ritmo. Einstein nos deu uma imagem muito mais radical. De acordo com Einstein, o tempo era mais como um rio, que serpenteava em torno de estrelas e galáxias, acelerando e desacelerando à medida que passava ao redor de corpos maciços. Um segundo na Terra não era um segundo em Marte. Relógios espalhados por todo o universo bater à sua própria baterista distante.

No entanto, antes da morte de Einstein, ele foi confrontado com um problema embaraçoso. Vizinho de Einstein em Princeton, Kurt Goedel, talvez o maior lógico matemático dos últimos 500 anos, encontrou uma nova solução para as equações do próprio Einstein que permitiram a viagem no tempo! O "rio do tempo" já tinha redemoinhos em que o tempo poderia envolver-se em um círculo. Goedel solução foi bastante engenhosa: ele postula um universo cheio de um líquido em rotação. Qualquer pessoa andando na direção de rotação que se vêem de volta ao ponto de partida, mas para trás no tempo!

Em suas memórias, Einstein escreveu que ele estava perturbado que suas equações continha soluções que permitiram a viagem no tempo. Mas ele finalmente concluiu: o universo não gira, é ex-pands (isto é, como na teoria do Big Bang) e, portanto, solução de Goedel poderia ser jogado fora para (Aparentemente, se o Big Bang estava girando, então o tempo "razões físicas." viagem seria possível todo o universo!)

Então, em 1963, Roy Kerr, um matemático da Nova Zelândia, encontrou uma solução das equações de Einstein para um buraco negro rotativo, que tinham propriedades bizarras. O buraco negro não iria entrar em colapso a um ponto (como se pensava anteriormente), mas em um anel giratório (de nêutrons). O anel seria circula tão rapidamente que a força centrífuga seria manter o anel de entrar em colapso sob a gravidade. O anel, por sua vez, age como o Looking Glass da Alice. Qualquer pessoa andando através do anel não morreria, mas poderia passar pelo anel em um universo alternativo. Desde então, centenas de outros "wormhole" foram encontradas soluções para as equações de Einstein. Estes buracos ligar não apenas duas regiões do espaço (daí o nome), mas também duas regiões de tempo tão bem. Em princípio, podem ser utilizados como máquinas do tempo.

Recentemente, tenta adicionar a teoria quântica da gravidade (e, portanto, criar uma "teoria de tudo") deram-nos algumas dicas sobre o problema paradoxo. Na teoria quântica, podemos ter vários estados de qualquer objeto. Por exemplo, um elétron pode existir simultaneamente em órbitas diferentes (um fato que é responsável por nos dar as leis da química). Da mesma forma, famoso gato de Schrodinger pode existir simultaneamente em dois estados possíveis: mortos e vivos. Assim, voltando no tempo e alterar o passado, nós simplesmente criar um universo paralelo. Então, nós estamos mudando de outra pessoa passado salvando, por exemplo, Abraham Lincoln de ser assassinado no Teatro Ford, Lincoln, mas o nosso ainda está morto. Desta forma, o rio de garfos de tempo em dois rios separadas. Mas isso significa que será capaz de saltar para dentro da máquina de HG Wells, girar um seletor, e subir centenas de milhares de anos no futuro da Inglaterra? Não. Há uma série de obstáculos difíceis de superar.

Em primeiro lugar, o problema principal é um de energia. Da mesma maneira que um carro precisa de gasolina, uma máquina de tempo precisa de ter fabulosas quantidades de energia. Um tanto tem de aproveitar o poder de uma estrela, ou para encontrar uma coisa chamada matéria "exótica" (que cai para cima, em vez de para baixo) ou encontrar uma fonte de energia negativa. (Físicos pensava que a energia negativa era impossível. Mas pequenas quantidades de energia negativa foram verificados experimentalmente por algo chamado efeito Casimir, ou seja, a energia criada por duas placas paralelas). Todos estes são extremamente difíceis de obter em grandes quantidades, pelo menos durante vários séculos!

Em seguida, há o problema de estabilidade. O buraco negro de Kerr, por exemplo, pode ser instável se uma cai através dela. Da mesma forma, os efeitos quânticos podem construir e destruir o buraco de minhoca antes de entrar. Infelizmente, a nossa matemática não é poderoso o suficiente para responder a questão da estabilidade, porque você precisa de uma "teoria de tudo", que combina as forças quânticas e gravidade. Atualmente, a teoria das supercordas é o principal candidato para tal teoria (na verdade, é o único candidato, que realmente não tem rivais em tudo). Mas a teoria das supercordas, que passa a ser a minha especialidade, é ainda difícil de resolver completamente. A teoria é bem definido, mas ninguém na Terra é inteligente o suficiente para resolvê-lo.

Curiosamente, Stephen Hawking uma vez se opuseram à idéia de viagem no tempo. Ele mesmo afirmou que tinha provas "empírica" ​​contra ele. Se a viagem no tempo existiu, ele disse, então, teria sido visitado por turistas do futuro. Desde que não vemos os turistas do futuro, ergo: a viagem no tempo não é possível. Devido à enorme quantidade de trabalho feito por físicos teóricos nos últimos 5 anos ou mais, Hawking, desde então, mudou de idéia, e agora acredita que a viagem no tempo é possível (embora não necessariamente prático). (Além disso, talvez nós não são simplesmente muito interessante para os turistas do futuro. Quem pode aproveitar o poder de uma estrela que nos consideramos ser muito primitivo. Imagine seus amigos vir através de um formigueiro. Será que curvar-se para as formigas e dar-lhes bugigangas, livros, remédios e energia? Ou será que alguns de seus amigos tem o desejo estranho pisar em alguns deles?)

Em conclusão, não vire alguém longe que bate à sua porta um dia e diz ser seu neto grande-grande-grande futuro. Eles podem estar certos

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]Será que esses conceitos ser comprovada por uma teoria de tudo?

Em junho passado, os astrônomos foram brindando com taças de champanhe em laboratórios ao redor do mundo, saboreando a sua mais recente descoberta. O reparado 2000 milhões dólares americanos Telescópio Espacial Hubble, uma vez motivo de chacota da comunidade científica, tinha enredado seu prêmio mais elusiva: um buraco negro. Mas a descoberta do Santo Graal da astrofísica também pode reacender um longo debate latente no seio da comunidade física. O que está do outro lado de um buraco negro? Se alguém tolamente caiu em um buraco negro, eles serão esmagados pela sua imensa gravidade, como a maioria dos físicos acreditam, ou será que vão ser impelido para um universo paralelo ou emerge em outra época do tempo? Para resolver esta complexa questão, os físicos estão abrindo um dos capítulos mais bizarros e tentadora da física moderna. Eles têm que navegar um campo minado de teorias potencialmente explosivas, como a possibilidade de "buracos de minhoca", "buracos brancos, máquinas de" tempo, e até mesmo a dimensão 10! Esta controvérsia pode também validar a observação irônica de JBS Haldane que o universo "não é apenas mais estranho do que sup-pose, que é mais estranho do que podemos supor." Essa polêmica delicioso, que encanta os físicos teóricos, mas confunde a mente dos meros mortais, é o objecto de meu livro mais recente, hiperespaço.

Buracos Negros: estrelas colapsadas

Um buraco negro, simplesmente, é uma estrela maciça, morto cuja gravidade é tão intensa que nem a luz consegue escapar, daí seu nome. Por definição, não pode ser visto, então os cientistas da NASA preferiu se concentrar na pequeno núcleo da galáxia M87, um super "motor cósmico" maciça de 50 milhões de anos-luz da Terra. Os astrônomos então mostrou que o núcleo da M87 consistiu de um feroz, turbilhão rodopiante de gás de hidrogênio superquente girando em L.2 milhões de quilômetros por hora. Para manter esse disco giratório de gás da violenta explodindo em todas as direções, tinha de haver uma massa colossal concentrada em seu centro, pesando até 2 a 3 bilhões de sóis! Um objeto com que a massa impressionante seria grande o suficiente para evitar a luz de escapar. Ergo, um buraco negro.

A ponte de Einstein-Rosen

Mas isso também revive uma controvérsia em torno de buracos negros. A melhor descrição de um buraco negro a girar foi dado em 1963 pelo matemático neozelandês Roy Kerr, usando as equações de Einstein da gravidade. Mas há uma característica peculiar à sua solução. Ela prevê que, se um caiu em um buraco negro, pode ser sugado por um túnel (o chamado "ponte de Einstein-Rosen") e disparou um "buraco branco" em um universo paralelo! Kerr mostrou que um buraco negro a girar não entrar em colapso em um ponto, mas a um "anel de fogo." Porque o anel foi girando rapidamente, as forças centrífugas seria mantê-lo entre em colapso. Notavelmente, uma sonda de espaço disparado directamente através do anel não ser esmagado no esquecimento, mas pode realmente emergir sem riscos no outro lado da ponte Einstein-Rosen, em um universo paralelo. Este "buraco de minhoca" podem conectar dois universos paralelos, ou partes, mesmo que distantes do mesmo universo.

Through the Looking Glass

A maneira mais simples de visualizar um buraco de minhoca Kerr é pensar de Espelho de Alice. Qualquer pessoa andando pela Looking Glass seria transportado instantaneamente no País das Maravilhas, um mundo onde os animais falava em enigmas e bom senso não era tão comum.

A borda do espelho corresponde ao anel de Kerr. Qualquer um andar através do anel de Kerr pode ser transportado para o outro lado do universo ou mesmo no passado.Como dois gêmeos siameses unidos pelo quadril, agora temos dois universos se juntaram através do Espelho. Alguns físicos se perguntaram se os buracos negros ou worm buracos poderão um dia ser usadas como atalhos para outro setor do nosso universo, ou mesmo como uma máquina do tempo para o passado distante (possibilitando as façanhas aventureiros em Star Wars). No entanto, nós advertem que há céticos. Os críticos admitem que centenas de soluções wormhole já foram encontradas as equações de Einstein e, portanto, não podem ser levianamente descartados como os delírios de potes de crack. Mas eles apontam que buracos de minhoca pode ser instável, ou que as forças intensas de radiação e sub-atômica que cercam a entrada do buraco de minhoca seria matar qualquer um que ousasse entrar. Spirited debates surgiram entre os físicos relativos a esses buracos de minhoca. Infelizmente, essa polêmica não pode ser re-resolvido, porque as equações de Einstein quebrar no centro dos buracos negros ou buracos de minhoca, onde as forças de radiação e sub-atômica podem ser ferozes o suficiente para fechar a entrada. O problema é a teoria de Einstein só funciona por gravidade, e não as forças quânticas que governam a radiação e partículas sub-atômicas. O que é necessário é uma teoria que abrange tanto a teoria quântica da radiação e da gravidade simultaneamente. Em uma palavra, para resolver o problema dos buracos negros quânticos, precisamos de uma "teoria de tudo!"

A Teoria de Tudo?

Uma das conquistas da ciência do século 20 é que todas as leis da física, a um nível fundamental, podem ser resumidos por apenas dois formalismos: (1) a teoria da gravidade de Einstein, que nos dá uma descrição cósmica do muito grande, ou seja, galáxias, buracos negros eo Big Bang, e (2) a teoria quântica, que nos dá uma descrição microscópica do muito pequeno, ou seja, o microcosmo de partículas sub-atômicas e radiação. Mas a ironia suprema, e certamente uma das piadas cósmicas da natureza, é que eles olham bewilderingly diferente, até mesmo do mundo maiores físicos, incluindo Einstein e Heisenberg, não conseguiram unificar estes em um só. As duas teorias usar a matemática e de diferentes princípios físicos para descrever o universo em seus respectivos domínios, o cósmico eo microscópicos. Felizmente, agora temos um candidato para esta teoria. (Na verdade, é o único candidato. Dezenas de propostas rivais foram todos mostraram-se inconsistentes.) É chamado de "teoria das supercordas", e quase sem esforço une a gravidade com uma teoria da radiação, o que é necessário para resolver o problema do quantum wormholes. A teoria das supercordas pode explicar as misteriosas leis quânticas da física subatômica, postulando que partículas sub-atômicas são apenas ressonâncias ou vibrações de uma corda pequena. As vibrações de uma corda de violino correspondem a notas musicais, de igual modo as vibrações de uma das supercordas correspondem às partículas encontradas na natureza. O universo é, então, uma sinfonia de cordas vibrantes. Uma vantagem adicional é que, como uma string se move no tempo, distorce o tecido do espaço em torno dela, produzindo buracos negros, buracos de minhoca, e outras soluções exóticas de equações de Einstein. Assim, em um só golpe, a teoria das supercordas une a teoria de Einstein e da física quântica em uma imagem coerente e convincente.

Um Universo 10 Dimensional

O curioso do supercordas, contudo, é que eles só podem vibrar em 10 dimensões. Esta é, de fato, uma das razões pelas quais ele pode unificar as forças conhecidas do universo: em 10 dimensões, há "mais espaço" para acomodar tanto a teoria quanto da gravidade de Einstein, bem como física subatômica. Em certo sentido, tentativas anteriores de unificar as forças da natureza falhou porque uma teoria quatro de padrão dimensional é "pequeno demais" para bloquear todas as forças em uma estrutura matemática. Para visualizar dimensões mais elevadas, considere um jardim de chá japonês, onde a carpa passam suas vidas inteiras nadando no fundo de uma lagoa rasa.A carpa são apenas vagamente consciente de um mundo para além da superfície. Para uma carpa "cientista", o universo consiste apenas em duas dimensões, comprimento e largura. Não há tal coisa como "altura." Na verdade, eles são incapazes de imaginar uma terceira dimensão para além da lagoa. A palavra "até" não tem significado para eles. (Imagine a sua angústia se fôssemos de repente tirá-los de seu universo bidimensional em "hiper-", ou seja, o nosso mundo!) No entanto, se chover, então a superfície de sua lagoa fica ondulada. Embora a terceira dimensão está além de sua compreensão, eles podem ver claramente as ondas que viajam na superfície da lagoa. Da mesma forma, embora nós, terráqueos, não pode "ver" estas dimensões mais elevadas, podemos ver suas ondulações quando vibram. Segundo esta teoria, "light" não é nada, mas as vibrações ondulantes ao longo da 5 ª dimensão. Ao adicionar dimensões superiores, que pode facilmente acomodar as forças mais e mais, incluindo as forças nucleares.Em poucas palavras: as dimensões mais temos, mais as forças que podem acomodar. Uma crítica persistente desta teoria, no entanto, é que não vemos essas dimensões mais altas em laboratório. Atualmente, todos os eventos no universo, desde o mais ínfimo decadência sub-atômica para explodir galáxias, pode ser descrito por 4 números (comprimento, largura, profundidade e tempo), e não 10 números. Para responder a esta crítica, muitos físicos acreditam (mas ainda não pode provar) que o universo no instante do Big Bang era de fato totalmente 10 dimensional. Somente após o instante da criação fez 6 das 10 dimensões "enroladas" em uma bola muito pequena para observar. Em um sentido real, essa teoria é realmente uma teoria da criação, quando a potência total de 10 dimensões espaço-tempo era evidente.

21 de Física do século

Não surpreendentemente, a matemática do 10 supercordas dimensional é incrivelmente bela, bem como brutalmente complexo, e enviou ondas de choque através da comunidade matemática. Áreas inteiramente novas de matemática foram abertos por esta teoria. Infelizmente, no momento ninguém é inteligente o suficiente para resolver o problema de um buraco negro quântico. Como Edward Witten, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, afirmou: "A teoria das cordas é a física do século 21 que caiu acidentalmente no século 20." No entanto, a matemática do século 21 necessárias para resolver buracos negros quânticos ainda não foi descoberto! No entanto, uma vez que as apostas são tão altas, que não parou as equipes de físicos empreendedores de tentar resolver a teoria das supercordas. Já, mais de 5.000 artigos foram escritos sobre o assunto. Como ganhador do prêmio Nobel Steve Weinberg disse, "como alguém pode esperar que muitos dos mais brilhantes teóricos jovens não iria trabalhar com ele?" O progresso tem sido lento, mas constante. No ano passado, um avanço significativo foi anunciado. Vários grupos de físicos de forma independente anunciou que a teoria das cordas pode resolver completamente o problema de um buraco negro quântico. (No entanto, o cálculo era tão diabolicamente difícil que só poderia ser realizada em dois, e não 10, dimensões). Então isso é onde estamos hoje. Muitos físicos agora sinto que é apenas uma questão de tempo antes que algum físico empreendedor completamente rachaduras este delicado problema. As equações, embora difíceis, são bem definidos. Então, até então, ainda é um pouco prematuro para comprar bilhetes para o próximo buraco de minhoca para visitar a galáxia mais próxima ou caçar dinossauros!