- Wat is ruimtetijd?
- Tunnels door ruimte - tijd
- De instabiliteit van wormgaten
- Verschillen tussen zwarte gaten en wormgaten
- Verscheidenheid / soorten wormgaten
- Zullen wormgaten ooit gezien worden?
- Referenties
Een wormgat , in astrofysica en kosmologie, is een doorgang die twee punten in het weefsel van ruimte-tijd met elkaar verbindt. Net zoals de vallende appel in 1687 de gravitatietheorie van Isaac Newton inspireerde, hebben de wormen die de appels doorboren nieuwe theorieën geïnspireerd, ook in het kader van de gravitatie.
Net zoals de worm erin slaagt om via een tunnel een ander punt op het oppervlak van de appel te bereiken, vormen ruimte-tijd wormgaten theoretische snelkoppelingen waarmee hij in minder tijd naar verre delen van het universum kan reizen.
Ruimte-tijd wormgat: artistieke visie. Bron: Pixabay.
Het is een idee dat de verbeelding van velen heeft veroverd en nog steeds vasthoudt. Ondertussen zijn kosmologen druk bezig met het zoeken naar manieren om het bestaan ervan te bewijzen. Maar op dit moment zijn ze nog het onderwerp van speculatie.
Om een beetje dichter bij het begrip van wormgaten te komen, de mogelijkheid om erdoorheen te reizen, en de verschillen die er zijn tussen wormgaten en zwarte gaten, moeten we kijken naar het concept van ruimte-tijd.
Wat is ruimtetijd?
Het concept van ruimte-tijd is nauw verbonden met dat van het wormgat. Daarom is het noodzakelijk om eerst vast te stellen wat het is en wat het belangrijkste kenmerk is.
Ruimtetijd is waar elke gebeurtenis in het universum plaatsvindt. En het universum is op zijn beurt de totaliteit van ruimte-tijd, in staat om alle vormen van materie-energie en meer te huisvesten …
Wanneer de bruidegom de bruid ontmoet, is het een evenement, maar dit evenement heeft ruimtelijke coördinaten: de ontmoetingsplaats. En een tijdcoördinaat: jaar, maand, dag en tijd van de bijeenkomst.
De geboorte van een ster of de explosie van een supernova zijn ook gebeurtenissen die plaatsvinden in ruimte-tijd.
Nu, in een gebied van het universum dat vrij is van massa en interacties, is de ruimtetijd vlak. Dit betekent dat twee lichtstralen die parallel beginnen zo doorgaan, zolang ze in dat gebied blijven. Trouwens, want een lichtstraal is eeuwig.
Natuurlijk is ruimte-tijd niet altijd vlak. Het universum bevat objecten met massa die ruimte-tijd wijzigen, waardoor een ruimte-tijdkromming op universele schaal ontstaat.
Het was Albert Einstein zelf die zich op een moment van inspiratie realiseerde dat hij 'het gelukkigste idee van mijn leven' noemde, dat een versnelde waarnemer plaatselijk niet te onderscheiden is van een die dicht bij een enorm object staat. Het is het bekende gelijkwaardigheidsprincipe.
En een versnelde waarnemer buigt ruimte-tijd, dat wil zeggen, Euclidische meetkunde is niet langer geldig. Daarom buigt de ruimte-tijd zich in de omgeving van een zwaar object zoals een ster, een planeet, een melkwegstelsel, een zwart gat of het universum zelf.
Deze kromming wordt door mensen waargenomen als een kracht die zwaartekracht wordt genoemd, alledaags maar tegelijkertijd mysterieus.
De zwaartekracht is net zo raadselachtig als de kracht die ons naar voren trekt als de bus waarin we rijden krachtig remt. Het is alsof er plotseling iets onzichtbaars, duister en massiefs komt, want een paar ogenblikken komt naar voren en trekt ons aan en stuwt ons plotseling vooruit.
De planeten bewegen elliptisch rond de zon omdat de massa ervan een inzinking in het ruimte-tijdoppervlak veroorzaakt waardoor de planeten hun banen krommen. Een lichtstraal buigt ook zijn pad volgens de ruimte-tijd-depressie die door de zon wordt geproduceerd.
Tunnels door ruimte - tijd
Als ruimte-tijd een gekromd oppervlak is, verhindert in principe niets dat het ene gebied zich via een tunnel met het andere verbindt. Reizen door zo'n tunnel zou niet alleen van plaats veranderen, maar het biedt ook de mogelijkheid om naar een andere tijd te gaan.
Dit idee heeft vele sciencefictionboeken, series en films geïnspireerd, waaronder de beroemde Amerikaanse serie "The Time Tunnel" uit de jaren 60 en meer recentelijk "Deep Space 9" uit de Star Trek-franchise en de film Interstellar uit 2014.
Het idee kwam van Einstein zelf, die, op zoek naar oplossingen voor de veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie, samen met Nathan Rosen een theoretische oplossing vond die het mogelijk maakte om twee verschillende gebieden in de ruimte-tijd met elkaar te verbinden via een tunnel die als een kortere weg fungeerde.
Die oplossing staat bekend als de Einstein-Rosen-brug en komt voor in een werk dat in 1935 werd gepubliceerd.
De term "wormgat" werd echter voor het eerst gebruikt in 1957, dankzij de theoretisch fysici John Wheeler en Charles Misner in een publicatie van dat jaar. Eerder werd er over "eendimensionale buizen" gesproken om naar hetzelfde idee te verwijzen.
Later in 1980 schreef Carl Sagan de sciencefictionroman "Contact", een boek waarvan later een film werd gemaakt. De hoofdrolspeler genaamd Elly ontdekt intelligent buitenaards leven op 25 duizend lichtjaar afstand. Carl Sagan wilde dat Elly daarheen zou reizen, maar op een manier die wetenschappelijk geloofwaardig was.
25 duizend lichtjaar afstand reizen is geen gemakkelijke taak voor een mens, tenzij er een kortere weg wordt gezocht. Een zwart gat kan geen oplossing zijn, want bij het naderen van de singulariteit zou differentiële zwaartekracht het ruimtevaartuig en zijn bemanning uit elkaar scheuren.
Op zoek naar andere mogelijkheden raadpleegde Carl Sagan een van de toonaangevende experts op het gebied van zwarte gaten van die tijd: Kip Thorne, die over de kwestie begon na te denken en zich realiseerde dat de Einstein-Rosen-bruggen of de wormgaten van Wheeler was de oplossing.
Thorne realiseerde zich echter ook dat de wiskundige oplossing onstabiel was, dat wil zeggen dat de tunnel opengaat, maar kort daarna wurgt en verdwijnt.
De instabiliteit van wormgaten
Is het mogelijk om wormgaten te gebruiken om grote afstanden in ruimte en tijd af te leggen?
Sinds ze zijn uitgevonden, hebben wormgaten in talloze sciencefiction-plots gediend om hun protagonisten naar afgelegen plaatsen te brengen en de paradoxen van niet-lineaire tijd te ervaren.
Kip Thorne vond twee mogelijke oplossingen voor het probleem van wormgatinstabiliteit:
- Door het zogenaamde kwantumschuim. Op de Planck-schaal ( 10-35 m) zijn er kwantumfluctuaties die in staat zijn om twee gebieden van ruimte-tijd te verbinden via microtunnels. Een hypothetische, zeer geavanceerde beschaving zou een manier kunnen vinden om de passages te verbreden en ze lang genoeg vast te houden zodat een mens kan passeren.
- Negatieve massakwestie. Volgens schattingen die Thorne zelf in 1990 publiceerde, zouden enorme hoeveelheden van dit vreemde materiaal nodig zijn om de uiteinden van het wormgat open te houden.
Het opmerkelijke aan deze laatste oplossing is dat er, in tegenstelling tot zwarte gaten, geen singulariteit of kwantumverschijnselen zijn, en dat de doorgang van mensen door dit type tunnel mogelijk zou zijn.
Op deze manier zouden wormgaten niet alleen verre gebieden in de ruimte met elkaar kunnen verbinden, maar ook in de tijd kunnen worden gescheiden. Daarom zijn het machines om door de tijd te reizen.
Stephen Hawking, de grote referentie in de kosmologie aan het einde van de 20e eeuw, geloofde niet dat wormgaten of tijdmachines haalbaar waren, vanwege de vele paradoxen en tegenstrijdigheden die eruit voortkomen.
Dat heeft de geesten van andere onderzoekers niet getemperd, die de mogelijkheid hebben gesuggereerd dat twee zwarte gaten in verschillende gebieden van de ruimte-tijd intern verbonden zijn door een wormgat.
Hoewel dit niet praktisch zou zijn voor reizen in de ruimte en tijd, aangezien er afgezien van de beproevingen die het betreden van de singulariteit van het zwarte gat met zich mee zou brengen, er geen mogelijkheid zou zijn om aan de andere kant te verlaten, aangezien het een ander zwart gat is.
Verschillen tussen zwarte gaten en wormgaten
Als je het over een wormgat hebt, denk je ook meteen aan zwarte gaten.
Een zwart gat wordt op natuurlijke wijze gevormd, na de evolutie en dood van een ster met een bepaalde kritische massa.
Het ontstaat nadat de ster zijn nucleaire brandstof heeft uitgeput en begint onomkeerbaar te samentrekken vanwege zijn eigen zwaartekracht. Het gaat meedogenloos door totdat het zo'n ineenstorting veroorzaakt dat niets dichterbij dan de straal van de waarnemingshorizon kan ontsnappen, zelfs geen licht.
Ter vergelijking: een wormgat komt zelden voor, het gevolg van een hypothetische anomalie in de kromming van ruimte-tijd. In theorie is het mogelijk om ze te doorlopen.
Als iemand echter zou proberen door een zwart gat te gaan, zouden de intense zwaartekracht en extreme straling in de nabije omgeving van de singulariteit het veranderen in een dunne draad van subatomaire deeltjes.
Er is indirect en pas zeer recent direct bewijs voor het bestaan van zwarte gaten. Een van deze bewijzen is de emissie en detectie van zwaartekrachtgolven door de aantrekking en rotatie van twee kolossale zwarte gaten, gedetecteerd door het LIGO-observatorium voor zwaartekrachtgolven.
Er zijn aanwijzingen dat er een superzwaar zwart gat bestaat in het centrum van grote sterrenstelsels, zoals onze Melkweg.
De snelle rotatie van de sterren nabij het centrum, evenals de enorme hoeveelheid hoogfrequente straling die daar vandaan komt, zijn indirect bewijs dat er een enorm zwart gat is dat de aanwezigheid van deze verschijnselen verklaart.
Het was net op 10 april 2019 dat de wereld de eerste foto te zien kreeg van een superzwaar zwart gat (7 miljard keer de massa van de zon), gelegen in een heel ver sterrenstelsel: Messier 87 in het sterrenbeeld Maagd, op 55 miljoen lichtjaren verwijderd van de aarde.
Deze foto van een zwart gat is mogelijk gemaakt door het wereldwijde netwerk van telescopen, de "Event Horizon Telescope" genaamd, met de deelname van meer dan 200 wetenschappers van over de hele wereld.
Aan de andere kant zijn er tot nu toe geen aanwijzingen voor wormgaten. Wetenschappers hebben een zwart gat kunnen detecteren en volgen, maar hetzelfde is niet mogelijk geweest met wormgaten.
Daarom zijn het hypothetische objecten, hoewel theoretisch haalbaar, zoals zwarte gaten ooit ook waren.
Verscheidenheid / soorten wormgaten
Hoewel ze nog niet zijn ontdekt, of misschien juist daarom, zijn er verschillende mogelijkheden voor wormgaten bedacht. Ze zijn allemaal theoretisch haalbaar, omdat ze voldoen aan Einsteins vergelijkingen voor de algemene relativiteitstheorie. Hier zijn een paar:
- Wormgaten die twee ruimte-tijdregio's van hetzelfde universum met elkaar verbinden.
- De wormgaten die het ene universum met het andere kunnen verbinden.
- Einstein-Rosen-bruggen, waarin materie van de ene opening naar de andere kon gaan. Hoewel deze doorgang van materie instabiliteit zou veroorzaken, waardoor de tunnel op zichzelf zou instorten.
- Kip Thorne's wormgat, met een bolvormig omhulsel van negatieve massa materie. Het is stabiel en verplaatsbaar in beide richtingen.
- Het zogenaamde Schwarzschild-wormgat, bestaande uit twee met elkaar verbonden statische zwarte gaten. Ze zijn niet te doorkruisen, aangezien materie en licht gevangen zitten tussen beide uitersten.
- Geladen en / of roterende of Kerr-wormgaten, bestaande uit twee intern verbonden dynamische zwarte gaten, die slechts in één richting kunnen worden doorkruist.
- Kwantumschuim van ruimte-tijd, waarvan het bestaan op subatomair niveau wordt getheoretiseerd. Het schuim bestaat uit zeer onstabiele subatomaire tunnels die verschillende zones met elkaar verbinden. Om ze te stabiliseren en uit te breiden, zou een quark-gluonplasma moeten worden gemaakt, waarvoor een bijna oneindige hoeveelheid energie nodig zou zijn om ze op te wekken.
- Meer recentelijk, dankzij de snaartheorie, zijn wormgaten ondersteund door kosmische snaren getheoretiseerd.
- Met elkaar verweven en vervolgens gescheiden zwarte gaten, waaruit een ruimte-tijdgat ontstaat, of de Einstein-Rosen-brug die bij elkaar wordt gehouden door de zwaartekracht. Het is een theoretische oplossing die in september 2013 werd voorgesteld door natuurkundigen Juan Maldacena en Leonard Susskind.
Ze zijn allemaal perfect mogelijk, aangezien ze niet in tegenspraak zijn met Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Zullen wormgaten ooit gezien worden?
Zwarte gaten waren lange tijd theoretische oplossingen voor de vergelijkingen van Einstein. Einstein stelde zelf vraagtekens bij de mogelijkheid dat ze ooit door de mensheid zouden kunnen worden ontdekt.
Albert Einstein (1879-1955), auteur van de relativiteitstheorie. Bron: Pixabay.
Dus zwarte gaten bleven lange tijd als een theoretische voorspelling, totdat ze werden gevonden en gelokaliseerd. Wetenschappers hebben dezelfde hoop voor wormgaten.
Het is heel goed mogelijk dat ze er ook zijn, maar het is nog niet geleerd ze te lokaliseren. Hoewel wormgaten volgens een zeer recente publicatie zelfs met telescopen sporen en schaduwen achterlaten.
Aangenomen wordt dat de fotonen rond het wormgat reizen en een lichtgevende ring genereren. De dichtstbijzijnde fotonen vallen naar binnen en laten een schaduw achter waardoor ze kunnen worden onderscheiden van zwarte gaten.
Volgens Rajibul Shaikh, een natuurkundige aan het Tata Institute for Fundamental Research in Mumbai in India, zou een soort roterend wormgat een grotere en kromgetrokken schaduw produceren dan die van een zwart gat.
In zijn werk heeft Shaikh de theoretische schaduwen bestudeerd die door een bepaalde klasse van ronddraaiende wormgaten worden geworpen, waarbij hij zich concentreert op de cruciale rol van de keelholte bij de vorming van een foton-schaduw waarmee hij kan worden geïdentificeerd en onderscheiden van een zwart gat.
Shaikh heeft ook de afhankelijkheid van de schaduw van de draaiing van het wormgat geanalyseerd en deze ook vergeleken met de schaduw van een draaiend Kerr-zwart gat, waarbij hij significante verschillen vond. Het is een volledig theoretisch werk.
Afgezien daarvan blijven wormgaten voorlopig nog als wiskundige abstracties, maar het is mogelijk dat er binnenkort enkele worden opgemerkt. Wat zich aan het andere uiterste bevindt, is op dit moment nog onderwerp van vermoeden.
Referenties
- Kwantumverstrengeling kan aanleiding geven tot zwaartekracht. Overgenomen van Cienciaaldia.com
- Progress of Physics, deel 61, uitgave september 2013, pagina's 781-811
- Wormgat. Overgenomen van wikipedia.org
- Ruimte tijd. Overgenomen van wikipedia.org.
- David Nield (2018). Crazy New Paper suggereert dat wormgaten schaduwen werpen die we gemakkelijk konden zien met telescopen. Overgenomen van sciencealert.com