6. La venganza de Einstein La supersimetría es la solución final para la unificación completa de todas las partículas. Abdus Sadam reviviendo la teoría de Kaluza-Klein Este problema ha sido llamado “el mayor problema científico de todos los tiempos”. En la prensa se llamó el santo grial de la física, el deseo de unir

3. Construcción de las ecuaciones de Einstein Ahora podemos construir las ecuaciones gravitacionales en la relatividad general. Como describimos en el capítulo 6, a principios del siglo XX se postuló que la interacción gravitacional se expresa en la curvatura del espacio-tiempo. Al mismo tiempo, el espacio-tiempo

4. Resolver las ecuaciones de Einstein Pero si hay ecuaciones, entonces es necesario resolverlas. Es decir, bajo las restricciones y condiciones de cada problema o modelo específico, es necesario encontrar coeficientes métricos en cada punto del espacio-tiempo y así determinar su geometría.

Por publicación de trabajos con las ecuaciones básicas de la relatividad general (GR). Más tarde quedó claro que nueva teoría La gravedad, que cumplirá cien años en 2015, predice la existencia de agujeros negros y túneles espacio-temporales. Lenta.ru te informará sobre ellos.

¿Qué es GTO?

La relatividad general se basa en los principios de equivalencia y covarianza general. El primero (principio débil) significa la proporcionalidad de las masas inerciales (asociadas con el movimiento) y gravitacionales (asociadas con la gravedad) y permite (principio fuerte) en un área limitada del espacio no distinguir entre el campo gravitacional y el movimiento acelerado. Un ejemplo clásico es un ascensor. Con su movimiento hacia arriba uniformemente acelerado con respecto a la Tierra, el observador que se encuentra en él no puede determinar si se encuentra en un campo gravitacional más fuerte o si se mueve en un objeto creado por el hombre.

El segundo principio (covarianza general) supone que las ecuaciones de la relatividad general conservan su forma durante las transformaciones de la teoría especial de la relatividad, creada por Einstein y otros físicos en 1905. Las ideas de equivalencia y covarianza llevaron a la necesidad de considerar un espacio-tiempo único, que se curva en presencia de objetos masivos. Esto distingue la relatividad general de la teoría clásica de la gravedad de Newton, donde el espacio es siempre plano.

La relatividad general en cuatro dimensiones incluye seis independientes. ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Para resolverlos (encontrar la forma explícita del tensor métrico que describe la curvatura del espacio-tiempo), es necesario especificar las condiciones de contorno y de coordenadas, así como el tensor de energía-momento. Este último describe la distribución de la materia en el espacio y, por regla general, está asociado con la ecuación de estado utilizada en la teoría. Además, las ecuaciones de la relatividad general permiten la introducción de una constante cosmológica (término lambda), que a menudo se asocia con la energía oscura y, probablemente, con un campo escalar correspondiente.

Agujeros negros

En 1916, el físico matemático alemán Karl Schwarzschild encontró la primera solución a las ecuaciones de la relatividad general. Describe el campo gravitacional creado por una distribución de masas centralmente simétrica con carga eléctrica cero. Esta solución contenía el llamado radio gravitacional del cuerpo, que determina el tamaño de un objeto con una distribución de materia esféricamente simétrica, del cual los fotones (cuantos que se mueven a la velocidad de la luz) no pueden salir. campo electromagnetico).

La esfera de Schwarzschild así definida es idéntica al concepto de horizonte de sucesos, y el objeto masivo delimitado por ella es idéntico a un agujero negro. La percepción de un cuerpo que se acerca a él en el marco de la relatividad general difiere según la posición del observador. Para un observador asociado al cuerpo, llegar a la esfera de Schwarzschild se producirá en un tiempo finito. Para un observador externo, la aproximación de un cuerpo al horizonte de sucesos tardará un tiempo infinito y se parecerá a su caída ilimitada sobre una esfera de Schwarzschild.

Los físicos teóricos soviéticos también contribuyeron a la teoría de las estrellas de neutrones. En su artículo de 1932 "Sobre la teoría de las estrellas", Lev Landau predijo la existencia de estrellas de neutrones, y en su trabajo "Sobre las fuentes de energía estelar", publicado en 1938 en la revista Nature, sugirió la existencia de estrellas con un neutrón. centro.

¿Cómo se convierten los objetos masivos en agujeros negros? La respuesta conservadora y actualmente más reconocida a esta pregunta la dio en 1939 el físico teórico Robert Oppenheimer (en 1943 se convirtió en supervisor científico El Proyecto Manhattan, dentro del cual se creó la primera bomba atómica) y su estudiante de posgrado Hartland Snyder.

En la década de 1930, los astrónomos se interesaron por la cuestión del futuro de una estrella si se agotaba su combustible nuclear. Para estrellas pequeñas como el Sol, la evolución conducirá a la transformación en enanas blancas, en las que la fuerza de compresión gravitacional se equilibra con la repulsión electromagnética del plasma nuclear de electrones. Para las estrellas más pesadas, la gravedad resulta ser más fuerte que el electromagnetismo y surgen estrellas de neutrones. El núcleo de estos objetos está hecho de líquido de neutrones y está cubierto por una fina capa de plasma de electrones y núcleos pesados.

Imagen: Noticias del Este

Límite de peso enano blanco, que impide que se convierta en una estrella de neutrones, fue evaluado por primera vez en 1932 por el astrofísico indio Subramanyan Chandrasekhar. Este parámetro se calcula a partir de la condición de equilibrio del gas de electrones degenerado y las fuerzas gravitacionales. Significado moderno El límite de Chandrasekhar se estima en 1,4 masas solares.

Límite de peso superior estrella neutrón, en el que no se convierte en un agujero negro, se llama límite de Oppenheimer-Volkoff. Determinado a partir de la condición de equilibrio entre la presión del gas de neutrones degenerado y las fuerzas gravitacionales. En 1939 se obtuvo un valor de 0,7 masas solares; las estimaciones modernas oscilan entre 1,5 y 3,0.

Agujero de topo

Físicamente, un agujero de gusano es un túnel que conecta dos regiones remotas del espacio-tiempo. Estas áreas pueden estar en el mismo universo o conectar diferentes puntos de diferentes universos (dentro del concepto de multiverso). Dependiendo de la posibilidad de regresar por el hoyo, se dividen en transitables e intransitables. Los agujeros infranqueables se cierran rápidamente e impiden al posible viajero realizar el viaje de regreso.

Desde un punto de vista matemático, un agujero de gusano es un objeto hipotético obtenido como una solución especial no singular (finita y con significado físico) de las ecuaciones de la relatividad general. Normalmente, los agujeros de gusano se representan como una superficie bidimensional doblada. Puedes llegar de un lado a otro de la forma habitual o a través del túnel que los conecta. En el caso visual del espacio bidimensional, se puede ver que esto permite reducir significativamente la distancia.

En dos dimensiones, las gargantas de un agujero de gusano (los agujeros donde comienza y termina el túnel) tienen forma de círculo. En tres dimensiones, el cuello de un agujero de gusano parece una esfera. Estos objetos se forman a partir de dos singularidades en diferentes regiones del espacio-tiempo, que en el hiperespacio (espacio de dimensión superior) se atraen entre sí para formar un agujero. Dado que un agujero es un túnel espacio-temporal, puedes viajar a través de él no sólo en el espacio, sino también en el tiempo.

Ludwig Flamm fue el primero en proporcionar soluciones a las ecuaciones de la relatividad general del tipo agujero de gusano en 1916. Su trabajo, que describe un agujero de gusano con cuello esférico y sin materia gravitante, no atrajo la atención de los científicos. En 1935, Einstein y el físico teórico estadounidense-israelí Nathan Rosen, que no estaban familiarizados con el trabajo de Flamm, encontraron una solución similar a las ecuaciones de la relatividad general. En este trabajo los impulsó el deseo de combinar la gravedad con el electromagnetismo y deshacerse de las singularidades de la solución de Schwarzschild.

En 1962, los físicos estadounidenses John Wheeler y Robert Fuller demostraron que el agujero de gusano de Flamm y el puente Einstein-Rosen colapsan rápidamente y, por tanto, son intransitables. La primera solución a las ecuaciones de la relatividad general con un agujero de gusano atravesable se propuso en 1986. físico americano Kip Thorne. Su agujero de gusano está lleno de materia con una densidad de masa promedio negativa, lo que impide que el túnel se cierre. Las partículas elementales con tales propiedades aún son desconocidas para la ciencia. Probablemente podrían ser parte de la materia oscura.

Gravedad hoy

La solución de Schwarzschild es la más sencilla para los agujeros negros. Ahora se han descrito los agujeros negros giratorios y cargados. Secuencial teoría matemática La teoría de los agujeros negros y las singularidades asociadas se desarrolló en los trabajos del matemático y físico británico Roger Penrose. En 1965, publicó un artículo en la revista Physical Review Letters titulado “Gravitational Collapse and Spacetime Singularities”.

Describe la formación de la llamada superficie trampa, que conduce a la evolución de una estrella hasta convertirse en un agujero negro y al surgimiento de una singularidad, una característica del espacio-tiempo donde las ecuaciones de la relatividad general dan soluciones que son incorrectas desde un punto de vista físico. de vista. Los hallazgos de Penrose se consideran el primer resultado importante matemáticamente riguroso de la relatividad general.

Poco después, el científico, junto con el británico Stephen Hawking, demostró que en el pasado lejano el Universo se encontraba en un estado con una densidad de masa infinita. Las singularidades que surgen en la relatividad general y que se describen en los trabajos de Penrose y Hawking no pueden explicarse en la física moderna. En particular, esto conduce a la imposibilidad de describir la naturaleza antes. Big Bang sin involucrar hipótesis y teorías adicionales, por ejemplo, mecánica cuántica y teoría de cuerdas. Actualmente, el desarrollo de la teoría de los agujeros de gusano también es imposible sin la mecánica cuántica.

Aunque Einstein creía que los agujeros negros eran un fenómeno demasiado increíble para existir en la naturaleza, más tarde, irónicamente, demostró que son incluso más extraños de lo que cualquiera podría haber imaginado. Einstein explicó la posibilidad de la existencia de “portales” espacio-temporales en las profundidades de los agujeros negros. Los físicos llaman a estos portales agujeros de gusano porque, como un gusano que excava en el suelo, crean un camino alternativo más corto entre dos puntos. Estos portales a veces también se denominan portales o "puertas de entrada" a otras dimensiones. Como quiera que los llames, es posible que algún día se conviertan en un medio para viajar entre diferentes dimensiones, pero este es un caso extremo.

La primera persona que popularizó la idea de los portales fue Charles Dodgson, quien escribió bajo el seudónimo de Lewis Carroll. En Alicia a través del espejo, imaginó un portal en forma de espejo que conectaba los suburbios de Oxford y el País de las Maravillas. Como Dodgson era matemático y enseñaba en Oxford, era consciente de estos espacios múltiples conectados. Por definición, un espacio múltiplesmente conectado es tal que un lazo en él no puede contraerse al tamaño de un punto. Por lo general, cualquier bucle se puede tirar hasta un punto sin ninguna dificultad. Pero si consideramos, por ejemplo, un donut con un lazo enrollado alrededor, veremos que el lazo apretará este donut. Cuando empecemos a apretar lentamente el lazo, veremos que no se puede comprimir al tamaño de un punto; en el mejor de los casos, se puede apretar hasta la circunferencia del donut comprimido, es decir, hasta la circunferencia del “agujero”.

Los matemáticos se alegraron de haber descubierto un objeto que era completamente inútil para describir el espacio. Pero en 1935, Einstein y su alumno Nathan Rosen introdujeron la teoría de los portales al mundo físico. Intentaron utilizar la solución al problema del agujero negro como modelo para partículas elementales. Al propio Einstein nunca le gustó la teoría, que se remonta a la época de Newton, de que la gravedad de una partícula tiende al infinito cuando se acerca a ella. Einstein creía que esta singularidad debería ser erradicada porque no tiene sentido.

Einstein y Rosen tuvieron la idea original de pensar en el electrón (que normalmente se pensaba como un punto diminuto sin estructura) como un agujero negro. Entonces fue posible utilizar teoria general relatividad para explicar los misterios del mundo cuántico en la teoría de campos unificados. Comenzaron con una solución para un agujero negro estándar, que se asemeja a un gran jarrón con un cuello largo. Luego cortaron el cuello y lo conectaron a otra solución parcial de las ecuaciones del agujero negro, es decir, un jarrón al que se le dio la vuelta. Según Einstein, esta extraña pero equilibrada configuración estaría libre de la singularidad en el origen del agujero negro y podría actuar como un electrón.

Desafortunadamente, la idea de Einstein de representar al electrón como un agujero negro fracasó. Pero hoy en día, los cosmólogos sugieren que el puente Einstein-Rosen podría servir como una “puerta de entrada” entre los dos universos. Podemos movernos libremente por el Universo hasta que accidentalmente caemos en un agujero negro, donde inmediatamente somos arrastrados a través de un portal y emergemos al otro lado (después de atravesar el agujero "blanco").

Para Einstein, cualquier solución a sus ecuaciones, si partía de un punto de partida físicamente plausible, tenía que estar relacionada con un objeto físicamente plausible. Pero no le preocupaba quién caería en el agujero negro y acabaría en él. universo paralelo. Las fuerzas de marea aumentarían indefinidamente en el centro, y el campo gravitacional destrozaría inmediatamente los átomos de cualquier objeto que tuviera la desgracia de caer en el agujero negro. (El puente Einstein-Rosen se abre en una fracción de segundo, pero se cierra tan rápido que ningún objeto podría atravesarlo lo suficientemente rápido como para llegar al otro lado). Según Einstein, aunque la existencia de portales es posible, Ser viviente Nunca podrá recorrer ninguno de ellos y hablar de sus experiencias durante este viaje.

Puente Einstein-Rosen. En el centro de un agujero negro hay un “cuello” que conecta con el espacio-tiempo de otro universo u otro punto de nuestro universo. Mientras que viajar a través de un agujero negro estacionario tendría consecuencias fatales, los agujeros negros en rotación tienen una singularidad en forma de anillo que permitiría atravesar el anillo y el puente Einstein-Rosen, aunque esto aún se encuentra en una etapa especulativa.

Un agujero de gusano es un paso teórico a través del espacio-tiempo que podría acortar significativamente los viajes de larga distancia a través del universo al crear caminos más cortos entre destinos. La teoría de la relatividad predice la existencia de agujeros de gusano. Pero además de la comodidad, también pueden conllevar peligros extremos: peligro de colapso repentino, alta radiación y contactos peligrosos con materias exóticas.

La teoría de los agujeros de gusano o “agujeros de gusano”

En 1935, los físicos Albert Einstein y Nathan Rosen utilizaron la teoría de la relatividad para proponer la existencia de “puentes” en el espacio-tiempo. Estos caminos, llamados puentes de Einstein-Rosen o agujeros de gusano, conectan dos puntos diferentes en el espacio-tiempo, creando teóricamente corredores más cortos que reducen la distancia y el tiempo de viaje.

Los agujeros de gusano tienen dos bocas conectadas por un cuello común. Lo más probable es que las bocas tengan forma esférica. El cuello puede ser una sección recta, pero también puede curvarse, volviéndose más largo cuanto más largo sea el recorrido habitual.

La teoría general de la relatividad de Einstein predice matemáticamente la existencia de agujeros de gusano, pero hasta la fecha no se ha descubierto ninguno. Se puede rastrear un agujero de gusano de masa negativa debido al efecto de su gravedad sobre la luz que pasa.

Algunas soluciones de la teoría general de la relatividad permiten la existencia de “agujeros de gusano”, cada entrada (boca) de los cuales es un agujero negro. Sin embargo, los agujeros negros naturales formados por el colapso de una estrella moribunda no crean por sí mismos un agujero de gusano.

A través del agujero de gusano

La ciencia ficción está repleta de historias de viajes a través de agujeros de gusano. Pero en realidad, ese viaje es mucho más complejo, y no sólo porque primero debemos descubrir dicho agujero de gusano.

El primer problema es el tamaño. Se cree que los agujeros de gusano reliquia existen a nivel microscópico, entre 10 y 33 centímetros de diámetro. Sin embargo, a medida que el Universo se expande, es posible que algunos de ellos crecieran hasta alcanzar tamaños grandes.

Otro problema surge de la estabilidad. Más precisamente, por su ausencia. Los agujeros de gusano que Einstein-Rosen predijo serían inútiles para viajar porque colapsarían demasiado rápido. Pero investigaciones más recientes han demostrado que los agujeros de gusano que contienen "materia exótica" pueden permanecer abiertos y sin cambios durante períodos de tiempo más largos.

La materia exótica, que no debe confundirse con la materia oscura o la antimateria, tiene una densidad negativa y una enorme presión negativa. Esta materia sólo puede detectarse en el comportamiento de determinados estados de vacío en el marco de la teoría cuántica de campos.

Si los agujeros de gusano contienen cantidad suficiente Materia exótica, ya sea que se encuentre en la naturaleza o se agregue artificialmente, en teoría podrían usarse como una forma de transmitir información o un corredor a través del espacio.

Los agujeros de gusano no sólo pueden conectar dos extremos diferentes del mismo universo, sino que también podrían conectar dos universos diferentes. Además, algunos científicos han sugerido que si la entrada de un agujero de gusano se moviera de cierta manera, podría ser útil para viaje en el tiempo . Sin embargo, sus oponentes, como el cosmólogo británico Stephen Hawking, sostienen que tal uso no es posible.

Si bien agregar materia exótica a un agujero de gusano puede estabilizarlo hasta el punto de que la especie humana pueda viajar a través de él con seguridad, todavía existe la posibilidad de que agregar materia "normal" sea suficiente para desestabilizar el portal.

La tecnología actual no es suficiente para agrandar o estabilizar los agujeros de gusano, incluso si se encuentran en un futuro próximo. Sin embargo, los científicos continúan explorando este concepto como método. viaje espacial con la esperanza de que la tecnología eventualmente surja y puedan usar agujeros de gusano.

Basado en materiales de Space.com

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Aunque Einstein creía que los agujeros negros también son un fenómeno
probable y no puede existir en la naturaleza, luego, tal es la ironía
destino, demostró que son aún más extraños de lo que cualquiera podría
adivinar. Einstein explicó la posibilidad de la existencia.
“Portales” espacio-temporales en las profundidades de los agujeros negros.
Los físicos llaman a estos portales agujeros de gusano porque, al igual que
para un gusano que excava en el suelo, crean una alternativa más corta.
camino nativo entre dos puntos. Estos portales también se llaman
a veces portales o "puertas de entrada" a otras dimensiones. Sean lo que sean
lo que sea, algún día pueden convertirse en un medio de viaje entre
dimensiones diferentes, pero este es un caso extremo.

La primera persona que popularizó la idea de los portales fue Charles Dodgson.
quien escribió bajo el seudónimo de Lewis Carroll. En "Alicia en
A través del espejo", presentó un portal en forma de espejo que conecta
Este es un suburbio de Oxford y Wonderland. Desde que Dodgson fue
matemático y enseñó en Oxford, conocía estos
multiplicar espacios conectados. Por definición, un pro-
el deambular es tal que el lazo que contiene no se puede apretar hasta el tamaño de una punta.
Por lo general, cualquier bucle se puede tirar hasta un punto sin ninguna dificultad. Pero
si consideramos, por ejemplo, un donut con
lazo, entonces veremos que el lazo apretará este donut. Cuando nosotros
Si empezamos a apretar lentamente el lazo, veremos que no se puede comprimir hasta
tamaños de puntos; en el mejor de los casos, se puede apretar hasta formar un círculo.
donut comprimido, es decir, hasta la circunferencia del “agujero”.

Los matemáticos se regocijaron con el hecho de haber descubierto
vivir un objeto que era completamente inútil para describir

espacio. Pero en 1935, Einstein y su alumno Nathan Rosen
introdujo la teoría de los portales al mundo físico. Ellos intentaron
quería utilizar la solución al problema del agujero negro como modelo para
partículas elementales. Al propio Einstein nunca le gustó
teoría que se remonta a Newton de que la gravedad de las partículas
tiende al infinito cuando se acerca a él. Einstein consideró
tal que esta singularidad debe ser erradicada, porque en ella
no tiene sentido.

Einstein y Rosen tuvieron la idea original de presentar
electrón (que generalmente se consideraba un punto pequeño sin
estructura) como un agujero negro. Así, fue posible utilizar
Desarrollar una teoría general de la relatividad para explicar los misterios de la cuántica.
del mundo en la teoría del campo unificado. Comenzaron con una solución.
para un agujero negro estándar que se asemeja a un gran jarrón con
cuello largo. Luego le cortaron el cuello y lo conectaron.
con otra solución particular a las ecuaciones de un agujero negro,
es decir, con un jarrón al revés. De acuerdo a
Einstein, esta configuración extraña pero equilibrada
estaría libre de la singularidad en el origen del agujero negro
y podría actuar como un electrón.

Desafortunadamente, la idea de Einstein de representar un electrón es
falló en presencia de un agujero negro. Pero hoy los cosmólogos sugieren
que el puente Einstein-Rosen puede servir como "puerta de entrada" entre los dos
universos. Podemos movernos libremente por todo el Universo hasta
hasta que accidentalmente caemos en un agujero negro, donde inmediatamente nos encontramos
nos arrastrará por el portal y apareceremos al otro lado (después de pasar
a través del agujero "blanco").

Para Einstein, cualquier solución a sus ecuaciones, si
se basó en un punto de referencia físicamente probable, debería haber correspondido
correr con un objeto físicamente probable. Pero él no se preocupó
sobre quién caerá en un agujero negro y terminará en un universo paralelo
Lennaya Las fuerzas de marea aumentarían indefinidamente en el centro, y
El campo vibratorio destrozaría inmediatamente los átomos de cualquier
un objeto que tuvo la desgracia de caer en un agujero negro. (Puente
Einstein-Rosen en realidad se abre en una fracción de segundo, pero
se cierra tan rápido que ningún objeto puede
páselo a tal velocidad que llegue al otro lado.) Por

En opinión de Einstein, aunque la existencia de portales es posible,
ninguna criatura podrá jamás atravesar ninguno de ellos y
Habla sobre tus experiencias durante este viaje.

Puente Einstein-Rosen. En el centro de un agujero negro hay un “cuello” que conecta con el espacio-tiempo de otro universo o de otro punto de nuestro Universo. Mientras que viajar a través de un agujero negro estacionario tendría consecuencias fatales, los agujeros negros en rotación tienen una singularidad en forma de anillo que permitiría atravesar el anillo y el puente Einstein-Rosen, aunque esto aún se encuentra en una etapa especulativa.