Sorte
huller og parallelle universer
Sorte
huller: tunneler gennem rum og tid
Michio Kaku
Indledning
Sorte huller
Einstein-Rosen broen
Varp faktor 5
Lukning af ormehullet
Sorte huller har fornylig grebet offentlighedens fantasi.
Bøger og dokumentarfilm er blevet viet til at udforske denne mærkelige
forudsigelse af Einsteins ligninger, det afsluttende trin i en kollapsende
stjernes død. Ironisk nok er offentligheden ikke klar over den måske mest
mærkelige egenskab ved sorte huller nemlig, at de kan være adgangsveje til et
alternativt univers. Endvidere er der også intense overvejelser i det
videnskabelige samfund om, at et sort hul måske kan åbne en tunnel i tiden.
Figur 1. Middel "vægten" af hver
proton i de lettere grundstoffer, som hydrogen og helium, er relativt stor.
Hvis vi således fusionerer hydrogen for at danne helium inde i en stjerne,
har vi overskydende masse, som omdannes til energi via Einsteins ligning E =
mc2. Det er denne energi, der får stjernerne til at lyse. Men når
stjernerne fusionerer tungere og tungere grundstoffer, når vi med tiden jern
og vi kan ikke udtrække mere energi. Så kollapser stjernen og den enorme
varme fra kollapsen skaber en supernova. Denne kollosale eksplosion river
stjernen i stykker og tilsår det interstellare rum, i hvilket nye stjerner
dannes. Så starter processen igen.
For at forstå sorte huller og hvor vanskelige de er at finde, må vi først
forstå, hvad der får stjernerne til at skinne, hvordan de vokser og hvordan
de med tiden dør. En stjerne fødes, når en massiv sky af hydrogen gas mange
gange størrelsen af vort solsystem langsomt presses sammen af tyngdekraften.
Når tyngdekraften komprimerer gassen opvarmes den gradvist, når den
tyngdemæssige energi omdannes til kinetisk energi i hydrogenatomerne. Normalt
er den frastødende ladning af protonerne inde i hydrogengassen tilstrækkelig
til at holde dem fra hinanden. Men på et bestemt punkt, når temperaturen
stiger til 10 til 100 millioner K, overkommer protonernes (som er
hydrogenkerner) kinetiske energi deres elektrostatiske frastødning og de
støder ind i hinanden. Kernekraften tager så over fra den elektromagnetiske
kraft og de to hydrogenkerner "fusionerer" til helium og frigør
enorme energimængder.
Med andre ord er en stjerne en kerneovn, som brænder
hydrogenbrændsel og skaber kerne "aske" i form af spildhelium. En
stjerne er også en fintfølende balancegang mellem gravitationskraften, som
har tendens til at knuse stjernen til udslettelse og kernekraften, som har
tendens til at blæse stjernen fra hinanden med kraften fra milliarder af
hydrogenbomber. En stjerne modner så og ældes, når den udtømmer sit
kernebrændsel.
For at se hvordan energi udtrækkes fra
fusionsprocessen og for at forstå trinnene i en stjernes liv, som fører til
et sort hul, må vi analysere Figur 1., som viser en af de vigtigste kurver i
moderne videnskab, sommetider kaldet bindingsenergi kurven. På den
horisontale skala er de forskellige grundstoffers atomvægt, fra hydrogen til
uran. På den lodrette skala er groft sagt den tilnærmede middel
"vægt" af hver proton i kernen. Læg mærke til at hydrogen og uran
har protoner, der i middel vejer mere end protoner af andre grundstoffer i
midten af diagrammet.
Vor sol er en almindelig gul stjerne, som
hovedsagelig består af hydrogen. Ligesom det oprindelige Big Bang fusionerer
den hydrogen og danner helium. Fordi protonerne imidlertid i hydrogen vejer
mere end protonerne i helium, er der et overskud i masse, som omdannes til
energi via Einsteins formel E = mc2. Denne energi er det, der
binder kernerne sammen. Det er også den energi, der frigøres, når hydrogen
fusioneres til helium. Det er derfor solen skinner.
Når hydrogenen imidlertid langsomt bruges op gennem
adskillige milliarder år, opbygger en gul stjerne med tiden for meget spild
helium og den kerneovn slukker. Når det sker, tager gravitationen over og
knuser stjernen. Efterhånden som temperaturen stiger, bliver stjernen snart
varm nok til at brænde spild helium og omdanne det til andre grundstoffer,
som lithium og carbon. Bemærk, at der stadig kan frigøres energi, når vi går
ned gennem kurven til de højere grundstoffer. Med andre ord er det stadig
muligt at brænde spild helium (på samme måde som almindelig aske stadig kan
brændes under visse betingelser). Skønt stjernen er formindsket enormt i
størrelse, er dens temperatur temmelig høj og dens atmosfære udvider sig
meget i størrelse. Når vor egen sol opbruger sin hydrogenforsyning og
begynder at brænde helium, kan dens atmosfære strække sig ud til Mars bane.
Det er dette, der kaldes en rød gigant. Dette betyder selvfølgelig, at jorden
vil fordampe i processen. Således forudsiger kurven også jordens endelige
skæbne. Da vor sol er en middelalderlig stjerne omkring 5 milliarder år
gammel, har den stadig endnu 5 milliarder år, før den opsluger jorden.
(Ironisk nok blev jorden oprindeligt født af den samme hvirvlende gassky, som
skabte vor sol. Fysikken forudsiger nu, at jorden, som blev skabt med solen,
vil vende tilbage til solen.)
Når heliumen endelig er opbrugt, lukker kerneovnen
igen og gravitationen tager over for at knuse stjernen. Den røde gigant
krymper for at blive til en hvid dværg, en miniature stjerne med hele en
stjernes masse presset ned til omkring størrelsen af planeten Jorden. Hvide
dværge har ikke stor lysstyrke, fordi der, efter at være steget ned til
bunden af kurven, kun er lidt overskydende energi, man kan presse ud af den
fra E = mc2. Den hvide dværg brænder den smule, der er tilbage i
bunden af kurven.
Vores sol vil med tiden blive til en hvid dværg og,
gennem milliarder af år, langsomt dø, når den udtømmer sit kernebrændsel. Den
vil med tiden blive til en mørk, udbrændt dværgstjerne. Imidlertid mener man,
at hvis en stjerne er tilstrækkeligt massiv (adskillige gange vor sols
masse), så vil de fleste af grundstofferne i den hvide dværg fortsætte med at
blive fusioneret til mere og mere tunge grundstoffer og med tiden nå jern.
Når vi når jern, er vi nær selve bunden af kurven. Vi kan ikke længere
udtrække nogen energi fra den overskydende masse, så kerneovnen slukker.
Gravitationen tager igen over og knuser stjernen, indtil temperaturen stiger
eksplosivt tusind gange og når milliarder af grader. På dette punkt kollapser
jernkernen, det ydre lag af den hvide dværg blæser af og frigør det største
udbrud af energi, der kendes i galaksen, en eksploderende stjerne kaldet en
supernova. Blot én supernova kan midlertidigt skinne stærkere end en hel
galakse med 100 milliarder stjerner.
Efter en supernova finder vi en totalt død stjerne,
en neutronstjerne omkring på størrelse med Manhattan. Tæthederne i en
neutronstjerne er så høje, at alle neutronerne, groft sagt,
"berører" hinanden. Skønt neutronstjerner er næsten usynlige, kan
vi stadig detektere dem med vore instrumenter. Fordi de udsender nogen
stråling medens de roterer, virker de som et kosmisk fyrtårn i det ydre rum.
Vi ser dem som en blinkende stjerne eller pulsar. (Skønt dette scenario lyder
som science fiction, er et godt stykke over 400 pulsarer blevet observeret siden
deres første opdagelse i 1967.)
Computerberegninger har vist, at de fleste af de
tungere grundstoffer hinsides jern kan frembringes i en supernovas varme og
tryk. Når stjernen eksploderer, frigør den enorme mængder stjernestof, som
består af de højere grundstoffer, ud i rummets vakuum. Dette stof blander sig
med tiden med andre gasser, indtil nok hydrogen gas er samlet til at
påbegynde den tyngdemæssige sammentrækning en gang til.
Andengenerationsstjerner, der fødes af denne stjernegas og støv, indeholder
en mængde tunge grundstoffer. Nogle af disse stjerner (som vor sol) vil have
planeter omkring sig, der også indeholder disse tunge grundstoffer.
Dette løser et langvarigt mysterium i kosmologi. Vore
legemer er lavet af tunge grundstoffer hinsides jern, men vor sol er ikke
varm nok til at smede dem. Hvis jorden og vore legemers atomer oprindeligt
var fra den samme gassky, hvor kom de tunge grundstoffer i vore legemer så
fra? Konklusionen er uundgåelig: De tunge grundstoffer i vore legemer blev frembragt
i en supernova, der eksploderede før vores sol blev skabt. Med andre ord
eksploderede en navnløs supernova for milliarder af år siden og tilsåede den
oprindelige gassky, der skabte vort solsystem.
Udviklingen af en stjerne kan groft afbildes som en
pinball maskine, der har samme form som bindingsenergi kurven. Kuglen starter
i toppen og hopper fra hydrogen til helium, fra de lettere grundstoffer til
de tungere grundstoffer. Hver gang den hopper langs kurven, bliver den til en
anden type stjerne. Til sidst hopper kuglen til bunden af kurven, hvor den
lander på jern og eksplosivt kastes til en supernova. Efterhånden som dette
stjernemateriale igen samles til en ny hydrogenrig stjerne, starter processen
helt forfra på pinball maskinen.
Bemærk imidlertid, at der er to måder for kuglen at
hoppe ned af kurven. Den kan også starte på den anden side af kurven, ved
uran, og gå ned af kurven i et enkelt hop ved at spalte urankernen til
stumper. Da protonernes middelvægt i fissionsprodukter, som cesium og
krypton, er mindre end middelvægten af protonerne i uran, er den overskydende
masse blevet omdannet til energi via E = mc2. Dette er kilden til
energi bag atombomben.
Således forklarer bindingsenergikurven ikke kun
stjernernes fødsel og død og skabelsen af grundstofferne, men muliggør også
eksistensen af hydrogen- og atombomber! (Forskere spørges ofte om det ville
være muligt at udvikle kernebomber, som var anderledes end atomare og
hydrogen bomber. Ud fra kurven for bindingsenergi kan vi se, at svaret er
nej. Bemærk at kurven udelukker muligheden for bomber, lavet af oxygen eller
jern. Disse grundstoffer er nær bunden af kurven, så der er ikke nok
overskydende masse til at skabe en bombe. De forskellige bomber nævnt i
pressen, som neutronbomber, er kun variationer af uran- og hydrogenbomber.)
Når man først hører om stjernernes livshistorie, kan
man være en smule skeptisk. Trods alt har ingen nogensinde levet 10
milliarder år for at være vidne til deres udvikling. Da der imidlertid er
utallige stjerner på himlen, er det enkelt at se stjerner på praktisk taget
ethvert trin i deres udvikling. (F.eks. gav supernovaen i 1987, der var
synlig for det nøgne øje på den sydlige halvkugle, en skattekiste fuld af
astronomiske data, der passede med de teoretiske forudsigelser om en
kollapsende dværg med en jernkerne. Den spektakulære supernova, der blev
observeret af de gamle kinesiske astronomer den 4. juli, 1054, efterlod en
rest, der nu er blevet identificeret som en neutronstjerne.)
Desuden er vore computerprogrammer blevet så
nøjagtige, at vi essentielt kan forudsige rækkefølgen af stjerneudvikling
numerisk. Jeg havde engang en kammerat i skolen, som var astronomistuderende.
Han forsvandt altid tidligt om morgenen og vendte tilbage sent om aftenen.
Lige før han gik sagde han, at han satte en stjerne i ovnen for at iagttage
den vokse. I begyndelsen troede jeg, han sagde det i spøg. Da jeg imidlertid
pressede ham om dette, sagde han i fuldt alvor, at han anbragte en stjerne i
computeren og iagttog dens udvikling i løbet af dagen. Da de termodynamiske
ligninger og fusionsligningerne var godt kendte, var det blot et spørgsmål om
at bede computeren starte med en bestemt mængde hydrogen gas og så lade den
løse numerisk for udviklingen af denne mængde gas. På denne måde kan vi
afprøve, at vor teori om stjerneudvikling kan genskabe de kendte trin i
stjernelivet, som vi ser på himlen med vore teleskoper.
Hvis en stjerne var ti til 50 gange størrelsen af vor sol,
så ville gravitationen fortsætte med at sammenpresse, selv efter den blev til
en neutronstjerne. Uden fusionens kraft til at modvirke det tyngdemæssige
træk, er der intet til at modvirke stjernens endelige kollaps. På dette punkt
bliver den til det berømte sorte hul.
I en vis forstand må sorte huller eksistere. En
stjerne, husker vi, er biproduktet af to kosmiske kræfter: gravitation, som
prøver at knuse stjernen og fusion, som prøver at sprænge stjernen fra
hinanden som i en hydrogenbombe. Alle de forskellige faser i en stjernes
livshistorie er en konsekvens af denne fine balancegang mellem gravitation og
fusion. Før eller senere, når alt kernebrændslet i en massiv stjerne endelig
er opbrugt og stjernen er en masse af rene neutroner, er der intet kendt, som
kan modstå gravitationens stærke kraft. Med tiden vil gravitationens kraft
tage over og knuse neutronstjernen til ingenting. Stjernen er kommet hele
vejen rundt: Den blev født, da gravitationen først begyndte at komprimere
hydrogengas i himlen til en stjerne og den vil dø, når kernebrændslet er
opbrugt og gravitationen kollapser den.
Tætheden af et sort hul er så stor at lys, som en
raket, der affyres fra jorden, vil blive tvunget til at kredse omkring det.
Da intet lys kan undslippe fra det enorme gravitationsfelt, bliver den
kollapsede stjernes farve sort. Det er faktisk den sædvanlige definition på
et sort hul, en kollapset stjerne fra hvilken intet lys kan undslippe.
For at forstå det bemærker vi, at alle himmellegemer
har hvad der kaldes en undslippelseshastighed. Det er den hastighed, der er
nødvendig for permanent at undslippe det legemes tyngdemæssige tiltrækning.
F.eks. skal et rumfartøj nå en undslippelseshastighed på 25.000 miles i timen
for at forlade jordens gravitationstiltrækning og gå ud i det dybe rum. Vore
rumsonder som Voyager, der har vovet sig ud i det dybe rum og fuldstændig har
forladt solsystemet (bærende på good-will budskaber til fremmede, der måtte
samle dem op), har nået vor sols undslippelseshastighed. (Den kendsgerning at
vi indånder oxygen skyldes, at oxygenatomerne ikke har hastighed nok til at
undslippe jordens gravitationsfelt. Den kendsgerning at Jupiter og de andre
gasgiganter hovedsagelig er lavet af hydrogen skyldes, at deres
undslippelseshastighed er stor nok til at fange den oprindelige hydrogen fra
det tidlige solsystem. Således hjælper undslippelseshastighed med at forklare
udviklingen af vort solsystems planeter i de sidste 5 milliarder år.)
Newtons teori om gravitation giver faktisk det
nøjagtige forhold mellem stjernens undslippelseshastighed og masse. Jo
tungere planeten eller stjernen er og jo mindre dens radius er, jo større er
undslippelseshastigheden som er nødvendig for at undslippe dens tyngdemæssige
tiltrækning. Så tidligt som i 1783 brugte den engelske astronom John Michell
denne beregning til at foreslå, at en supermassiv stjerne kunne have en
undslippelseshastighed lig med lysets hastighed. Lyset der udsendes af en så
massiv stjerne kunne aldrig undslippe, men ville kredse om den. Således ville
stjernen for en udvendig observatør forekomme helt sort. Ved brug af den
bedste viden til rådighed i det attende århundrede, beregnede han faktisk
massen af et sådant sort hul. Uheldigvis blev hans teori anset for at være
skør og blev hurtigt glemt. Ikke desto mindre tenderer vi i dag mod at tro at
sorte huller eksisterer, fordi vore teleskoper og instrumenter har set hvide
dværge og neutronstjerner på himlen.
Der er to måder at forklare, hvorfor sorte huller er
sorte. Ud fra det hverdagsagtige synspunkt er "kraften" mellem
stjernen og en lysstråle så stor, at dens bane bøjes til en cirkel. Eller man
kan indtage det einsteinske synspunkt i hvilket "den korteste afstand
mellem to punkter er en kurvet linie." At bøje en lysstråle til en hel
cirkel betyder, at selve rummet er bøjet til en hel cirkel. Dette kan kun
ske, hvis det sorte hul har knebet et stykke af rumtiden sammen med sig, så
lysstrålen cirkulerer i en hyperkugle. Dette stykke af rumtiden har nu
frakoblet sig fra rumtiden omkring den, selve rummet er "revet".
Den relativistiske beskrivelse af det sorte hul kommer fra
Karl Schwarzschilds arbejde. I 1916, blot nogle få måneder efter Einstein
nedskrev sine fejrede ligninger, kunne Schwarzchild løse Einsteins ligninger
og beregne det tyngdemæssige felt for en massiv, stationær stjerne.
Schwarzchilds løsning har adskillige interessante
egenskaber. For det første omgiver et "point of no return" det
sorte hul. Enhver genstand, der kommer nærmere end denne radius, vil
uundgåeligt blive suget ind i det sorte hul, uden mulighed for at undslippe.
Enhver person, som er uheldig nok til at komme indenfor Schwarzchild radius
ville uvægerligt blive fanget af det sorte hul og knust til døde. I dag
kaldes denne afstand fra det sorte hul Schwarzchild radius eller horisonten
(det fjerneste synlige punkt).
For det andet ville enhver, der faldt indenfor
Schwarzchild radius være bevidst om et "spejlunivers" på den
"anden side" af rumtiden. Einstein var ikke bekymret over
eksistensen af dette bizarre spejlunivers, fordi kommunikation med det var
umulig. Enhver rumsonde, der blev sendt ind i centrum af et sort hul ville
møde uendelig krumning; dvs. at tyngdefeltet ville være uendeligt og enhver
materiel genstand ville blive knust. Elektronerne ville blive flået af
atomerne og selv protonerne og neutronerne inde i kernerne ville blive flået
fra hinanden. For at trænge igennem til det alternative univers ville sonden
også skulle bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, hvilket ikke er
muligt. Så skønt dette spejlunivers er matematisk nødvendigt, for at
Schwarzchild løsningen skal være fornuftig, kunne det aldrig observeres
fysisk.
Figur 2. Einstein-Rosen broen forbinder to
forskellige universer. Einstein troede, at enhver raket, der fløj ind i
broen, ville blive knust og derved gøre kommunikation mellem disse to
universer umulig. Imidlertid viser mere nylige beregninger, at rejse gennem
broen kan være meget vanskelig, men måske mulig.
Som konsekvens heraf blev den fejrede Einstein-Rosen
bro, som forbinder disse to universer (navngivet efter Einstein og hans
medarbejder, Nathan Rosen), betragtet som et matematisk påfund. Broen var
nødvendig for at have en matematisk konsistent teori om det sorte hul, men
det var umuligt at nå spejluniverset ved at rejse gennem Einstein-Rosen
broen. Einstein-Rosen broer blev snart fundet i andre løsninger af
gravitationsligningerne, som Reissner-Nordstrom løsningen, der beskrev et
elektrisk ladet sort hul. Einstein-Rosen broen forblev imidlertid en mærkelig,
men glemt, fodnote i kendskabet til relativitet.
Tingene begyndte at ændre sig med arbejdet af den new
zealandske matematiker Roy Kerr, som i 1963 fandt en anden eksakt løsning på
Einsteins ligninger. Kerr antog, at enhver kollapsende stjerne ville rotere.
Som en spinnende skøjteløber der sætter hastigheden op, når han bringer
armene ind, ville en roterende stjerne nødvendigvis accelerere, når den
begyndte at kollapse. Således var den stationære Schwarzchild løsning for et
sort hul ikke den fysisk mest relevante løsning på Einsteins ligninger.
Kerrs løsning skabte en sensation på relativitetens
område, da den blev foreslået. Astrofysikeren Subrahmanyan Chandrasekhar
sagde engang,
I hele mit videnskabelige liv, som strækker
sig over femogfyrre år, har den mest rystende oplevelse været erkendelsen af,
at en eksakt løsning på Einsteins ligninger for almen relativitet, opdaget af
den New Zealanske matematiker Roy Kerr, giver den absolut eksakte
repræsentation af utallige antal sorte huller, der befolker universet. Denne
"rysten foran det smukke", denne utrolige kendsgerning at en
opdagelse motiveret af en søgen efter det smukke i matematikken skulle finde
sin eksakte efterligning i naturen, overtaler mig til at sige, at skønhed er
det som det menneskelige sind reagerer på på dets dybeste niveau.
Kerr fandt imidlertid, at en massiv roterende
stjerne ikke kollapser til et punkt. I stedet flader den spinnende stjerne ud
indtil den med tiden komprimeres til en ring, som har interessante
egenskaber. Hvis en sonde blev skudt ind i det sorte hul fra siden, ville den
ramme ringen og blive helt ødelagt. Rumtidens krumning er stadig uendelig,
når man nærmer sig ringen fra siden. Der er stadig en "ring af
død", der så at sige omgiver centrum. Hvis en rumsonde imidlertid blev
skudt ind i ringen fra toppen eller bunden, ville den blive udsat for en
stor, men endelig krumning; dvs. at den tyngemæssige kraft ikke ville være
uendelig.
Denne temmmelig overraskende konklusion fra Kerrs
løsning betyder, at enhver rumsonde, der skydes gennem et roterende sort hul
langs dets rotationsakse i princippet kunne overleve de enorme, men endelige
gravitationsfelter i centrum og gå lige igennem til spejluniverset uden at
blive ødelagt af uendelig krumning. Einstein-Rosen broen virker som en
tunnel, der forbinder to områder af rumtiden; den er et ormehul. Således er
Kerrs sorte hul en port til et andet univers.
Forestil dig nu, at din raket er kommet på
Einstein-Rosen broen. Efterhånden som raketten nærmer sig det roterende sorte
hul, ser den en ringformet spinnende stjerne. I begyndelsen ser det ud til at
raketten har retning mod en katastrofal nedstyrtning, mens den daler mod det
sorte hul fra nordpolen. Som vi kommer nærmere ringen når lyset fra
spejluniverset imidlertid vore sensorer. Da al elektromagnetisk stråling
inkluderende radar kredser om det sorte hul, detekterer vore radarskærme
signaler, der har kredset omkring det sorte hul et antal gange. Denne
virkning minder om en spejlsal, i hvilken vi narres af de mange billeder, der
omgiver os. Lys rikochetterer gennem talrige spejle og skaber illusionen om,
at der er talrige kopier af os selv i salen.
Den samme virkning sker, når vi passerer gennem Kerrs
sorte hul. Fordi den samme lysstråle kredser om det sorte hul adskillige
gange detekterer vor radar billeder, der har kredset omkring det sorte hul og
skaber illusionen af genstande, der i virkeligheden ikke er der.
Betyder dette, at sorte huller kan bruges til rejser
gennem galaksen, som i Star Trek og andre science fiction film?
Som vi så tidligere bestemmes krumningen i et bestemt
rum af mængden af stof-energi, der indeholdes i det rum (Machs princip).
Einsteins berømte ligning giver os den præcise grad af rumtidsbøjning
forårsaget af tilstedeværelsen af stof-energi.
Når Kaptajn Kirk tager os svævende gennem hyperrummet
med "varp factor 5" skal "dilithium krystallerne", der
driver Enterprise, udføre mirakuløse bedrifter med at varpe rum og tid. Dette
betyder, at dilithium krystallerne har den magiske kraft til at bøje
rumtidskontiniumet til kringler; dvs., at de er enorme lagerrum for stof og
energi.
Hvis Enterprise rejser fra jorden til den nærmeste
stjerne, bevæger den sig ikke fysisk til Alpha Centauri - snarere kommer
Alpha Centauri til Enterprise. Forestil dig, at du sidder på et tæppe og
lassoer et bord adskillige meter borte. Hvis vi er stærke nok og gulvet er
glat nok, kan vi trække i lassoen indtil tæppet under os begynder at folde
under os. Hvis vi trækker hårdt nok, kommer bordet til os og
"afstanden" mellem bordet og os forsvinder til en masse af krøllet
tæppe. Så hopper vi simpelthen over denne "tæppe varp". Med andre
ord har vi næppe bevæget os; rummet mellem os og bordet har trukket sig
sammen og vi træder blot over denne sammentrukne afstand. På samme måde
krydser Enterprise i virkeligheden ikke hele rummet til Alpha Centauri; det
bevæger sig simpelthen over den krympede rumtid - gennem et ormehul. For
bedre at forstå hvad der sker, når man falder ned ad Einstein-Rosen broen, så
lad os nu diskutere ormehullers topologi.
Figur 3. I dette rent hypotetiske eksempel
har et "vindue" eller ormehul åbnet sig i vort univers. Hvis vi ser
ind i vinduet fra en retning, ser vi en dinosaur. Hvis vi ser ind i den anden
side af vinduet, ser vi en anden dinosaur. Set fra det andet univers har et
vindue åbnet sig mellem de to dinosaurer. Inde i vinduet ser dinosaurerne et
mærkeligt lille dyr (os).
For at visualisere disse mangfoldige forbundne
rum, forestiller vi os, at vi spadserer ned af New Yorks Fifth Avenue en lys
eftermiddag og passer os selv, da et mærkeligt udseende vindue åbner sig
foran os, meget lig Alices spejl. (Se i øjeblikket bort fra, at den energi,
der er nødvendig for at åbne dette vindue, kunne være nok til at smadre
jorden. Dette er et helt hypotetisk eksempel.)
Vi går hen til det svævende vindue for at se nærmere
på det og bliver skrækslagne over at finde, at vi stirrer på hovedet af en
grimt udseende Tyrannosaurus rex. Vi skal til at løbe for livet, da vi
bemærker at tyrannosauren ikke har nogen krop. Han kan ikke skade os, fordi
hele hans krop klart er på den anden side af vinduet. Når vi kigger nedenfor
vinduet for at finde dinosaurens krop kan vi se hele vejen ned ad gaden, som
om dinosauren og vinduet slet ikke var der. Overraskede går vi langsomt rundt
om vinduet og er lettede over at opdage, at tyrannosaurusen ikke kan findes
nogen steder. Når vi imidlertid kigger ind i vinduet fra bagsiden, ser vi
hovedet af en brontosaur, der kigger os lige ind i ansigtet.
Skræmte går vi endnu en gang rundt om vinduet og
stirrer på vinduet fra siden. Til vor overraskelse er alle spor af vinduet,
tyrannosauren og brontosauren forsvundet. Vi tager nu et par omgange mere
rundt om vinduet. Fra en retning ser vi hovedet af tyrannosauren. Fra den
anden retning ser vi hovedet af brontosauren. Og når vi ser fra siden, finder
vi, at både spejlet og dinosaurerne er forsvundet.
Hvad sker der?
I et fjernt univers har tyrannosauren og brontosauren
engageret sig i en konfrontation på liv og død. Som de står overfor hinanden,
viser der sig pludselig et svævende vindue mellem dem. Når tyrannosauren
kigger ind i det svævende spejl, forbavses han over at se hovedet af et
ubetydeligt, magert udseende pattedyr, med purret hår og et lille ansigt: et
menneske. Hovedet er klart synligt, men det har ingen krop. Når brontosauren
imidlertid ser ind i det samme vindue fra den anden retning, ser han Fifth
Avenue med dens butikker og trafik. Så finder tyrannosauren, at denne
menneskelige skabning i vinduet er forsvundet, for at dukke frem på den side
af vinduet, der vender mod brontosauren.
Figur 4. Hvis vi rækker vore to hænder ind
i vinduet fra to forskellige retninger, ser det ud som om vore hænder er
forsvundet. Vi har en krop, men ingen hænder. I det alternative univers er to
hænder dukket op på hver side af vinduet, men de er ikke fastgjort til en
krop.
Lad os nu sige, at vinden pludselig blæser vor hat
ind i vinduet. Vi ser hatten sejle ind på himlen i det andet univers, men den
kan ikke ses nogen steder langs Fifth Avenue. Vi gylper en gang og i
desperation prøver vi at stikke vor hånd ind i vinduet for at få hatten
tilbage. Set fra tyrannosauren blæser en hat ud af vinduet fra intet. Så ser
han en hånd uden krop række ud af vinduet, desperat gribende efter hatten.
Nu ændrer vinden retning og hatten bæres i den anden
retning. Vi stikker vor hånd ind i vinduet, men fra den anden side. Vi er nu
i en kejtet stilling. Begge vore hænder stikker ind i vinduet, men fra
forskellige sider. Men vi kan ikke se vore fingre. I stedet ser det for os ud
som om begge vore hænder er forsvundet.
Hvordan ser dette ud for dinosaurene? De se to
vrikkende, små hænder, der dingler ud af vinduet, fra hver sin side. Men der
er ingen krop. Dette eksempel illustrerer nogle af de lækre forvrængninger af
rum og tid, man kan opfinde med mangfoldigt forbundne rum.
Det forekommer bemærkelsesværdigt, at en så enkel ide - at
højere dimensioner kan forene rummet med tiden og at en "kraft" kan
forklares med bøjningen af den rumtid - kunne føre til en så rig variation af
fysiske konsekvenser. Med ormehullet og mangfoldigt forbundne universer
udforsker vi imidlertid selve grænserne for Einsteins almene
relativitetsteori. Faktisk er mængden af stof-energi, der er nødvendig for at
skabe et ormehul eller en dimensional port, så stor, at vi forventer at
kvantemekaniske virkninger vil dominere. Men kvante korrektioner kan faktisk
lukke åbningen af ormehullet og gøre rejse gennem porten umulig.
Da hverken kvanteteorien eller relativiteten er
kraftige nok til at afgøre dette spørgsmål, er vi nødt til at vente indtil
den tidimensionale teori er fuldført med at afgøre, hvorvidt disse ormehuller
er fysisk relevante eller blot endnu en skør ide. Lad os holde en pause før
vi diskuterer spørgsmålet om kvantekorrektioner og den tidimensionale teori
og overveje den måske mest bizarre konsekvens af ormehuller. Ligesom fysikere
kan vise, at ormehuller tillader mangfoldigt forbundne rum, kan vi også vise
at de også tillader tidsrejser.
Lad os nu overveje den måske mest fascinerende og
spekulative konsekvens af mangfoldigt forbundne universer: bygning
af en tidsmaskine.
Oversat fra Black Holes and Parallel Universes, Hyperspace, Michio
Kaku, Oxford University Press, New York 1994, pp. 217-231.
20. februar, 2007.
Indhold
Index
|