Jumat, 26 Juli 2013

Worm hole (jalan pintas ruang dan waktu )

Sebuah lubang cacing, juga dikenal sebagai Jembatan Einstein-Rosen adalah fitur topologi hipotetis ruang-waktu yang akan, pada dasarnya, sebuah "jalan pintas" melalui ruang-waktu. Untuk penjelasan visual sederhana lubang cacing, pertimbangkan ruang-waktu divisualisasikan sebagai dua dimensi (2D) permukaan. Jika permukaan ini dilipat sepanjang dimensi ketiga, memungkinkan seseorang untuk membayangkan lubang cacing "jembatan". (Harap dicatat, meskipun, bahwa ini hanyalah visualisasi ditampilkan untuk menyampaikan struktur dasarnya unvisualisable ada di 4 atau lebih dimensi Bagian dari lubang cacing bisa analog tinggi-dimensi untuk bagian permukaan 2D melengkung,. Misalnya, bukan dari mulut yang lubang melingkar pada bidang 2D, mulut lubang cacing sejati bisa bidang dalam ruang 3D.) lubang cacing adalah, dalam teori, seperti sebuah terowongan dengan kedua ujung masing-masing dalam poin terpisah dalam ruang-waktu.
Tidak ada bukti pengamatan untuk lubang cacing, tapi pada tingkat teoretis ada solusi valid untuk persamaan dari teori relativitas umum yang mengandung lubang cacing. Karena kekuatan teoritis yang kuat, lubang cacing juga dikenal sebagai salah satu metafora fisika besar untuk mengajar relativitas umum. Jenis pertama dari solusi lubang cacing ditemukan adalah lubang cacing Schwarzschild yang akan hadir di Schwarzschild metrik menggambarkan sebuah lubang hitam yang kekal, tetapi ditemukan bahwa jenis lubang cacing akan runtuh terlalu cepat untuk apa pun untuk menyeberang dari satu ujung ke ujung. Lubang cacing yang sebenarnya dapat melintas di kedua arah, yang dikenal sebagai lubang cacing traversable, hanya akan mungkin jika materi eksotis dengan kepadatan energi negatif dapat digunakan untuk menstabilkan mereka. (Banyak fisikawan seperti Stephen Hawking, [1] Kip Thorne, [2] dan lainnya [3] [4] [5] percaya bahwa efek Casimir adalah bukti bahwa kepadatan energi negatif yang mungkin di alam.) Fisikawan belum menemukan proses alami yang akan diperkirakan untuk membentuk lubang cacing alami dalam konteks relativitas umum, meskipun hipotesis busa kuantum kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan bahwa lubang cacing kecil mungkin muncul dan menghilang secara spontan pada skala Planck, [6] [7] dan versi stabil lubang cacing tersebut telah diusulkan sebagai kandidat materi gelap. [8] [9] Hal ini juga telah diusulkan bahwa jika lubang cacing kecil yang diadakan terbuka dengan string kosmik negatif-massa telah muncul sekitar waktu Big Bang, itu bisa saja meningkat ke ukuran makroskopik oleh inflasi kosmik. [10]

The American teoritis fisikawan John Archibald Wheeler menciptakan istilah lubang cacing pada tahun 1957, namun pada tahun 1921, matematikawan Jerman Hermann Weyl sudah mengusulkan teori lubang cacing, sehubungan dengan analisis massa energi medan elektromagnetik [11].

Analisis ini memaksa seseorang untuk mempertimbangkan situasi ... mana ada fluks bersih garis-garis gaya, melalui apa topologists sebut "pegangan" dari ruang multiply-terhubung, dan apa fisikawan barangkali dimaafkan untuk lebih jelas terming a " wormhole ".
-John Wheeler di Annals of Fisika
Definisi [sunting]
Gagasan dasar dari sebuah lubang cacing intra-alam semesta adalah bahwa itu adalah daerah kompak ruang-waktu yang batas adalah topologi sepele tapi yang interior tidak hanya terhubung. Meresmikan ide ini mengarah pada definisi seperti berikut ini, diambil dari Lubang cacing Lorentzian Matt Visser.

Jika ruang-waktu Minkowski berisi Ω wilayah kompak, dan jika topologi Ω adalah dalam bentuk Ω ~ R x Σ, di mana Σ adalah tiga berjenis dari topologi trivial, yang batas memiliki topologi bentuk ∂ Σ ~ S2, dan jika, selanjutnya, hypersurfaces Σ semua spacelike, maka wilayah Ω berisi quasipermanent intra-semesta lubang cacing.
Karakterisasi lubang cacing antar-semesta lebih sulit. Misalnya, orang bisa membayangkan 'baby' semesta terhubung ke 'orang tua' sebesar sempit 'umbilicus'. Orang mungkin ingin menganggap umbilikus sebagai leher lubang cacing, tapi ruang-waktu hanya terhubung. Untuk alasan ini lubang cacing telah didefinisikan geometris, sebagai lawan topologi, sebagai daerah ruang-waktu yang membatasi deformasi tambahan dari permukaan tertutup. Misalnya, dalam Enrico Rodrigo, The Fisika Stargates lubang cacing informal didefinisikan sebagai

wilayah ruang-waktu mengandung "tabung dunia" (evolusi waktu dari permukaan tertutup) yang tidak dapat terus menerus berubah bentuk (menyusut) ke dunia garis [(evolusi waktu butir a)].
Schwarzschild lubang cacing [sunting]





 
Kesan artis dari lubang cacing dari perspektif pengamat, melintasi cakrawala peristiwa lubang cacing Schwarzschild yang menjembatani dua dunia yang berbeda. Pengamat berasal dari kanan, dan alam semesta lain akan terlihat di tengah lubang cacing bayangan sekali cakrawala disilangkan, pengamat melihat cahaya yang telah jatuh ke wilayah interior lubang hitam dari alam semesta lain, namun, ini alam semesta lainnya tidak bisa diakses dalam kasus Schwarzschild lubang cacing, karena jembatan selalu runtuh sebelum pengamat memiliki waktu untuk menyeberang, dan segala sesuatu yang telah jatuh melalui cakrawala peristiwa baik alam semesta pasti hancur dalam singularitas.Lubang cacing Lorentzian dikenal sebagai lubang cacing Schwarzschild atau Einstein-Rosen jembatan hubungan antara luas ruang yang dapat dimodelkan sebagai solusi vakum untuk persamaan medan Einstein, dan yang sekarang dipahami sebagai bagian intrinsik dari versi diperpanjang maksimal Schwarzschild metrik menggambarkan suatu lubang hitam abadi tanpa biaya dan tidak ada rotasi. Di sini, "maksimal diperpanjang" mengacu pada gagasan bahwa ruang-waktu tidak harus memiliki "pinggiran": untuk setiap kemungkinan lintasan partikel bebas-jatuh (menyusul geodesik) di ruang-waktu, itu harus mungkin untuk melanjutkan jalan ini sewenang-wenang jauh ke masa depan partikel atau masa lalu, kecuali lintasan hits singularitas gravitasi seperti yang di pusat interior lubang hitam. Dalam rangka untuk memenuhi persyaratan ini, ternyata bahwa selain wilayah interior lubang hitam yang partikel masukkan ketika mereka jatuh melalui cakrawala peristiwa dari luar, harus ada wilayah interior lubang putih terpisah yang memungkinkan kita untuk memperkirakan lintasan partikel yang seorang pengamat luar memandang bahwa naik jauh dari cakrawala peristiwa. Dan seperti ada dua daerah interior terpisah dari ruang-waktu maksimal diperpanjang, ada juga dua daerah eksterior terpisah, kadang-kadang disebut dua "alam semesta" yang berbeda, dengan alam semesta kedua memungkinkan kita untuk meramalkan kemungkinan beberapa lintasan partikel mungkin di dua daerah interior. Ini berarti bahwa daerah lubang hitam interior dapat berisi campuran partikel yang jatuh baik dari alam semesta (dan dengan demikian seorang pengamat yang jatuh dari satu alam semesta mungkin bisa melihat cahaya yang jatuh dari yang lain), dan juga partikel dari interior daerah lubang putih bisa melarikan diri ke salah satu alam semesta. Semua empat daerah dapat dilihat pada diagram ruang-waktu yang menggunakan koordinat Kruskal-Szekeres.
Dalam ruang-waktu, adalah mungkin untuk datang dengan sistem koordinat sedemikian rupa sehingga jika Anda memilih hypersurface waktu konstan (satu set poin yang semua memiliki waktu koordinat yang sama, sehingga setiap titik di permukaan memiliki pemisahan ruang-seperti, memberikan apa yang disebut 'ruang-seperti permukaan') dan menggambar "diagram embedding" menggambarkan kelengkungan ruang pada waktu itu, diagram embedding akan terlihat seperti tabung yang menghubungkan dua daerah eksterior, yang dikenal sebagai "jembatan Einstein-Rosen ". Perhatikan bahwa Schwarzschild metrik menggambarkan lubang hitam ideal yang ada abadi dari perspektif pengamat eksternal, sebuah lubang hitam yang lebih realistis yang terbentuk pada suatu waktu tertentu dari bintang yang runtuh akan memerlukan metrik yang berbeda. Ketika materi bintang infalling ditambahkan ke diagram sejarah lubang hitam, menghilangkan bagian dari diagram yang sesuai untuk wilayah interior lubang putih, bersama dengan bagian dari diagram sesuai dengan alam semesta lainnya. [12]
Jembatan Einstein-Rosen ditemukan oleh Albert Einstein dan Nathan Rosen rekannya, yang pertama kali diterbitkan hasil pada tahun 1935. Namun, pada tahun 1962 John A. Wheeler dan Robert W. Fuller mempublikasikan makalah yang menunjukkan bahwa jenis lubang cacing tidak stabil jika menghubungkan dua bagian dari alam semesta yang sama, dan bahwa hal itu akan mencubit off terlalu cepat untuk cahaya (atau setiap partikel bergerak lebih lambat dari cahaya) yang jatuh dari satu daerah eksterior untuk membuatnya ke wilayah eksterior lainnya.
Gerak melalui lubang cacing Schwarzschild menghubungkan dua alam semesta adalah mungkin hanya dalam satu arah. Analisis gerak geodesik radial dari partikel besar menjadi jembatan Einstein-Rosen menunjukkan bahwa waktu yang tepat dari partikel meluas hingga tak terbatas. Geodesics timelike dan nol dalam medan gravitasi dari lubang cacing Schwarzschild yang lengkap karena ekspansi skalar dalam persamaan Raychaudhuri memiliki diskontinuitas di cakrawala peristiwa, dan karena jembatan Einstein-Rosen diwakili oleh diagram Kruskal di mana dua peristiwa di masa depan antipodal cakrawala diidentifikasi. Schwarzschild lubang cacing dan lubang hitam Schwarzschild berbeda, solusi matematika relativitas umum dan teori Einstein-Cartan-Sciama-ember gravitasi. Namun bagi pengamat jauh, kedua solusi dengan massa yang sama tidak dapat dibedakan. Hasil ini menunjukkan bahwa semua diamati lubang hitam astrofisika mungkin Einstein-Rosen jembatan, masing-masing dengan alam semesta baru dalam yang terbentuk bersamaan dengan lubang hitam. Dengan demikian, alam semesta kita sendiri mungkin interior sebuah lubang hitam yang ada di dalam alam semesta lain. [13]
Menurut relativitas umum, keruntuhan gravitasi massa cukup kompak membentuk tunggal Schwarzschild lubang hitam. Dalam teori Einstein-Cartan-Sciama-ember gravitasi, bagaimanapun, membentuk rutin jembatan Einstein-Rosen. Teori ini memperluas relativitas umum dengan menghapus kendala simetri dari koneksi affine dan mengenai bagian antisymmetric nya, tensor torsi, sebagai variabel dinamis. Torsi alami account untuk mekanika kuantum, momentum sudut intrinsik (spin) dari materi. Minimal kopling antara torsi dan Dirac spinors menghasilkan interaksi spin-berputar menjijikkan yang signifikan dalam hal fermion pada kepadatan sangat tinggi. Interaksi tersebut mencegah pembentukan singularitas gravitasi. Sebaliknya, hal runtuh mencapai kepadatan dan rebound besar tapi terbatas, membentuk sisi lain dari jembatan. [14]
Sebelum masalah stabilitas Schwarzschild lubang cacing yang jelas, diusulkan bahwa quasar adalah lubang putih membentuk ujung lubang cacing jenis ini. [Rujukan?]
Sementara Schwarzschild lubang cacing tidak dilintasi di kedua arah, keberadaan mereka terinspirasi Kip Thorne membayangkan lubang cacing traversable diciptakan oleh memegang 'tenggorokan' dari Schwarzschild wormhole terbuka dengan materi eksotis (material yang memiliki massa negatif / energi).
Lubang cacing traversable [sunting]





 
Gambar lubang cacing traversable yang menghubungkan tempat di depan lembaga fisik Universitas Tübingen dengan bukit pasir dekat Boulogne sur Mer di utara Perancis. Gambar dihitung dengan 4D raytracing dalam Morris-Thorne wormhole metrik, tetapi efek gravitasi pada panjang gelombang cahaya belum disimulasikan. [15]Lubang cacing traversable Lorentzian akan memungkinkan perjalanan di kedua arah dari satu bagian dari alam semesta ke bagian lain dari alam semesta yang sama sangat cepat atau akan memungkinkan perjalanan dari satu alam semesta yang lain. Kemungkinan lubang cacing traversable dalam relativitas umum pertama kali ditunjukkan oleh Kip Thorne dan mahasiswa pascasarjana Mike Morris dalam sebuah makalah 1988. Untuk alasan ini, jenis lubang cacing traversable mereka mengusulkan, diadakan terbuka oleh shell bola materi eksotis, disebut sebagai Morris-Thorne wormhole. Kemudian, jenis lain dari lubang cacing traversable ditemukan sebagai solusi diijinkan dengan persamaan relativitas umum, termasuk berbagai dianalisis dalam makalah tahun 1989 oleh Matt Visser, di mana jalan melalui lubang cacing dapat dibuat di mana jalan melintasi tidak melewati wilayah materi eksotis. Namun, dalam murni Gauss-Bonnet gravitasi (modifikasi untuk relativitas umum melibatkan dimensi ruang tambahan yang kadang-kadang dipelajari dalam konteks kosmologi brane) materi eksotis tidak diperlukan agar lubang cacing eksis-mereka bisa eksis bahkan dengan tidak peduli. [16] Suatu jenis diselenggarakan terbuka dengan string kosmik massa negatif diajukan oleh Visser bekerjasama dengan Cramer et al., [10] di mana ia mengusulkan bahwa lubang cacing tersebut bisa saja dibuat secara alami di alam semesta awal.
Lubang cacing menghubungkan dua titik dalam ruang-waktu, yang berarti bahwa mereka akan pada prinsipnya memungkinkan perjalanan waktu, serta di ruang angkasa. Pada tahun 1988, Morris, Thorne dan Yurtsever bekerja secara eksplisit bagaimana mengkonversi ruang melintasi lubang cacing ke dalam satu waktu melintasi [2] Namun, menurut relativitas umum itu tidak akan mungkin untuk menggunakan lubang cacing untuk perjalanan kembali ke waktu awal dari saat. lubang cacing pertama kali diubah menjadi mesin waktu dengan mempercepat salah satu dari dua mulut. [17]
Teorema Raychaudhuri dan materi eksotis [sunting]
Untuk melihat mengapa hal eksotis diperlukan, pertimbangkan depan cahaya yang masuk bepergian bersama geodesics, yang kemudian melintasi lubang cacing dan re-memperluas di sisi lain. Ekspansi pergi dari negatif ke positif. Sebagai leher lubang cacing adalah ukuran terbatas, kita tidak akan mengharapkan caustic untuk mengembangkan, setidaknya dalam sekitar leher. Menurut teorema Raychaudhuri itu optik, ini membutuhkan pelanggaran terhadap kondisi energi rata-rata null. Efek kuantum seperti efek Casimir tidak dapat melanggar kondisi energi rata-rata nol dalam lingkungan ruang dengan nol kelengkungan, [18] tetapi perhitungan dalam gravitasi semiklasik menunjukkan bahwa efek kuantum mungkin dapat melanggar kondisi ini dalam ruang-waktu melengkung. [19] Meskipun itu diharapkan baru-baru ini bahwa efek kuantum tidak bisa melanggar versi achronal kondisi energi rata-rata null, [20] pelanggaran memiliki namun telah ditemukan, [21] sehingga tetap kemungkinan yang terbuka bahwa efek kuantum dapat digunakan untuk mendukung lubang cacing.
Perjalanan lebih cepat dari cahaya [sunting]
Informasi lebih lanjut: Lebih cepat dari cahaya
Ketidakmungkinan kecepatan relatif lebih cepat dari cahaya hanya berlaku secara lokal. Lubang cacing memungkinkan superluminal wisata (lebih cepat dari cahaya) dengan memastikan bahwa kecepatan cahaya tidak terlampaui lokal setiap saat. Sementara perjalanan melalui lubang cacing, subluminal (lebih lambat dari cahaya) kecepatan digunakan. Jika dua titik yang dihubungkan oleh lubang cacing, waktu yang dibutuhkan untuk melintasi itu akan kurang dari waktu itu akan mengambil berkas cahaya untuk melakukan perjalanan jika mengambil jalan melalui ruang di luar lubang cacing. Namun, sinar cahaya perjalanan melalui wormhole akan selalu mengalahkan traveler. Sebagai analogi, berlarian ke sisi berlawanan dari gunung dengan kecepatan maksimum mungkin memakan waktu lebih lama daripada berjalan melalui terowongan persimpangan itu.
Perjalanan waktu [sunting]
Artikel utama: Time travel
Teori relativitas umum memprediksi bahwa jika lubang cacing traversable ada, mereka dapat memungkinkan perjalanan waktu [2] Hal ini akan dicapai dengan mempercepat salah satu ujung lubang cacing untuk kecepatan tinggi relatif terhadap yang lain, dan kemudian beberapa waktu kemudian membawanya kembali;. Relativistik dilatasi waktu akan mengakibatkan mulut lubang cacing dipercepat penuaan kurang dari satu stasioner seperti yang terlihat oleh pengamat eksternal, mirip dengan apa yang terlihat dalam paradoks kembar. Namun, kali menghubungkan berbeda melalui lubang cacing dari luar, sehingga jam disinkronkan di setiap mulut akan tetap disinkronkan dengan seseorang bepergian melalui lubang cacing itu sendiri, tidak peduli bagaimana mulut bergerak. [22] Ini berarti bahwa segala sesuatu yang masuk lubang cacing dipercepat mulut akan keluar satu stasioner pada titik waktu sebelum masuknya.
Sebagai contoh, perhatikan dua jam di kedua mulut kedua menunjukkan tanggal sebagai 2000. Setelah dibawa dalam perjalanan dengan kecepatan relativistik, mulut dipercepat dibawa kembali ke kawasan yang sama dengan mulut diam dengan jam mulut dipercepat itu membaca 2004 saat jam mulut diam kita baca 2012. Seorang pelancong yang memasuki mulut dipercepat pada saat ini akan keluar dari mulut diam ketika clock juga membaca 2004, di kawasan yang sama tapi sekarang delapan tahun di masa lalu. Seperti konfigurasi lubang cacing akan memungkinkan untuk garis dunia partikel untuk membentuk loop tertutup dalam ruang-waktu, dikenal sebagai kurva timelike tertutup.
Hal ini berpikir bahwa itu tidak mungkin untuk mengubah lubang cacing ke dalam mesin waktu dengan cara ini, prediksi yang dibuat dalam konteks relativitas umum, tetapi relativitas umum tidak termasuk efek kuantum. Analisis menggunakan pendekatan semiklasik untuk menggabungkan efek kuantum dalam relativitas umum kadang-kadang menunjukkan bahwa umpan balik dari partikel virtual akan beredar melalui lubang cacing dengan intensitas yang terus meningkat, menghancurkan sebelum informasi apapun bisa melewatinya, sesuai dengan perlindungan kronologi dugaan. Ini telah dipertanyakan oleh saran bahwa radiasi akan bubar setelah bepergian melalui lubang cacing, sehingga mencegah akumulasi terbatas. Perdebatan mengenai hal ini digambarkan oleh Kip Thorne S. dalam buku Lubang Hitam dan Waktu Warps, dan diskusi yang lebih teknis dapat ditemukan dalam The fisika kuantum perlindungan kronologi oleh Matt Visser. [23] Ada juga cincin Romawi, yang merupakan konfigurasi lebih dari satu lubang cacing. Cincin ini tampaknya memungkinkan waktu loop tertutup dengan lubang cacing stabil jika dianalisis menggunakan gravitasi semiklasik, meskipun tanpa teori gravitasi kuantum penuh tidak pasti apakah pendekatan semiklasik handal dalam hal ini.
Inter-universe wisata [sunting]
Sebuah resolusi mungkin paradoks yang dihasilkan dari perjalanan lubang cacing-enabled waktu bertumpu pada banyak dunia interpretasi mekanika kuantum. Pada tahun 1991 David Deutsch menunjukkan bahwa teori kuantum sepenuhnya konsisten (dalam arti bahwa yang disebut kepadatan matriks dapat dibuat bebas dari diskontinuitas) di ruang waktu dengan kurva timelike tertutup. [24] Namun, kemudian itu menunjukkan bahwa model seperti tertutup kurva timelike dapat memiliki inkonsistensi internal akan menyebabkan fenomena aneh seperti membedakan ortogonal keadaan kuantum non dan membedakan campuran yang tepat dan tidak tepat [25] [26] Dengan demikian, merusak umpan balik positif dari partikel virtual beredar melalui mesin waktu lubang cacing, a. Hasil yang ditunjukkan oleh perhitungan semi klasik, dihindarkan. Sebuah partikel kembali dari masa depan tidak kembali ke alam nya originasi tetapi untuk alam semesta paralel. Hal ini menunjukkan bahwa mesin waktu lubang cacing dengan melompat waktu sangat singkat adalah jembatan teoritis antara alam semesta paralel kontemporer. [27] Karena lubang cacing mesin waktu memperkenalkan jenis nonlinier dalam teori kuantum, ini semacam komunikasi antara alam semesta paralel konsisten dengan Penemuan Joseph Polchinski tentang sebuah "Everett telepon" dalam perumusan Steven Weinberg dari nonlinier mekanika kuantum. [28]
Metrik [sunting]
Teori lubang cacing metrik menggambarkan geometri ruang-waktu lubang cacing dan berfungsi sebagai model teoritis untuk perjalanan waktu. Sebuah contoh dari (dijelajahi) wormhole metrik adalah sebagai berikut:ds ^ 2 = - c ^ 2 dt ^ 2 + dl ^ 2 + (k ^ 2 + l ^ 2) (d \ theta ^ 2 + \ sin ^ 2 \ theta \, d \ phi ^ 2).Salah satu jenis non-dilintasi metrik lubang cacing adalah solusi Schwarzschild (lihat diagram pertama):ds ^ 2 = - c ^ 2 \ left (1 - \ frac {} {2GM rc ^ 2} \ right) dt ^ 2 + \ frac {dr ^ 2} {1 - \ frac {} {2GM rc ^ 2} } + r ^ 2 (d \ theta ^ 2 + \ sin ^ 2 \ theta \, d \ phi ^ 2).Dalam fiksi [sunting]