In de ruimte-opera Interstellar hebben astronauten die de mensheid willen redden, een levenslijn gevonden: een wormgat dat mysterieus naast Saturnus is verschenen. De tunnel door ruimtetijd leidt naar een verre melkweg en de kans om bewoonbare planeten te vinden die mensen kunnen koloniseren. Het wormgat van de film is gebaseerd op echte fysica van gepensioneerde CalTech-professor Kip Thorne, een pionier in astrofysica die ook Carl Sagan hielp bij het ontwerpen van zijn wormgat voor de roman Contact . De visualisaties zijn verbluffend en worden geprezen als een van de meest nauwkeurige simulaties van wormgaten en zwarte gaten in film. Maar er is één aspect van het onderdompelen in een interstellaire uitdrukking die de film niet behandelt: hoe overleef je de reis?
gerelateerde inhoud
- Stephen Hawking denkt dat we een groot zwart gat-mysterie met haar kunnen oplossen
- Natuurkundigen bouwden een wormgat voor magneten
- Waarom "Interstellar" behoort in het Pantheon van de beste "realistische" sciencefictionfilms
- Het dichtstbijzijnde ding in het echte leven van het boek van Wormhole van Myst
Hoewel ze het niet zo noemen, was het oorspronkelijke wormgat het geesteskind van Albert Einstein en zijn assistent Nathan Rosen. Ze probeerden Einsteins vergelijkingen voor algemene relativiteitstheorie op te lossen op een manier die uiteindelijk zou leiden tot een puur wiskundig model van het hele universum, inclusief de zwaartekracht en de deeltjes waaruit materie bestaat. Hun poging omvatte het beschrijven van de ruimte als twee geometrische platen verbonden door "bruggen", die we waarnemen als deeltjes.
Een andere natuurkundige, Ludwig Flamm, had dergelijke bruggen in 1916 onafhankelijk ontdekt in zijn oplossing voor de vergelijkingen van Einstein. Helaas voor hen werkte deze 'theorie van alles' niet, omdat de theoretische bruggen zich uiteindelijk niet als echte deeltjes gedroegen. Maar het papier uit 1935 van Einstein en Rosen maakte het concept van een tunnel door de structuur van ruimtetijd populair en zorgde ervoor dat andere natuurkundigen serieus gingen nadenken over de implicaties.
Princeton-fysicus John Wheeler bedacht de term 'wormgat' in de jaren zestig toen hij de modellen van Einstein-Rosen-bruggen verkende. Hij merkte op dat de bruggen verwant zijn aan de gaten die wormen door appels droegen. Een mier die van de ene kant van de appel naar de andere kruipt, kan ofwel helemaal rond zijn gebogen oppervlak ploeteren, of een kortere weg door de wormtunnel nemen. Stel je nu voor dat onze driedimensionale ruimtetijd de schil is van een appel die rond een hogere dimensie buigt die 'het grootste deel' wordt genoemd. Een Einstein-Rosen-brug is een tunnel door de bulk waarmee reizigers een snelle rijstrook kunnen nemen tussen twee punten in de ruimte. Het klinkt vreemd, maar het is een legitieme wiskundige oplossing voor algemene relativiteitstheorie.
Wheeler realiseerde zich dat de monden van Einstein-Rosen-bruggen handig overeenkomen met beschrijvingen van wat bekend staat als een Schwarzschild zwart gat, een eenvoudige materie die zo dicht is dat zelfs licht niet aan zijn zwaartekracht kan ontsnappen. Ah-ha! Astronomen geloven dat zwarte gaten bestaan en worden gevormd wanneer de kernen van buitengewoon massieve sterren op zichzelf instorten. Kunnen zwarte gaten ook wormgaten zijn en dus poorten voor interstellair reizen? Wiskundig gezien misschien - maar niemand zou de reis overleven.
In het Schwarzschild-model is het donkere hart van een zwart gat een singulariteit, een neutrale, onbeweeglijke bol met oneindige dichtheid. Wheeler berekende wat er zou gebeuren als een wormgat wordt geboren wanneer twee singulariteiten in verafgelegen delen van het universum in de massa samensmelten, waardoor een tunnel tussen Schwarzschild zwarte gaten ontstaat. Hij ontdekte dat zo'n wormgat inherent instabiel is: de tunnel vormt zich, maar dan trekt hij samen en knelt af, waardoor je nog maar twee singulariteiten hebt. Dit proces van groei en samentrekking gebeurt zo snel dat zelfs licht niet door de tunnel komt en een astronaut die probeert te passeren een singulariteit zou tegenkomen. Dat is plotselinge dood, omdat de immense zwaartekrachten de reiziger uit elkaar zouden scheuren.
"Alles of iemand die de reis probeert zal vernietigd worden in de afgrond!" Thorne schrijft in zijn metgezelboek bij de film, The Science of Interstellar .
De wetenschap van Interstellar
Amazon.com: The Science of Interstellar (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Boeken
KopenEr is een alternatief: een roterend Kerr zwart gat, wat een andere mogelijkheid is in de algemene relativiteitstheorie. De singulariteit in een zwart gat van Kerr is een ring in tegenstelling tot een bol, en sommige modellen suggereren dat een persoon de reis zou kunnen overleven als ze netjes door het midden van deze ring gaan als een basketbal door een hoepel. Thorne heeft echter een aantal bezwaren tegen dit begrip. In een artikel uit 1987 over reizen via wormgat merkt hij op dat de keel van een Kerr-wormgat een gebied bevat dat een Cauchy-horizon wordt genoemd en dat zeer onstabiel is. De wiskunde zegt dat zodra iets, zelfs licht, deze horizon probeert te passeren, de tunnel instort. Zelfs als het wormgat op de een of andere manier kan worden gestabiliseerd, vertelt de kwantumtheorie ons dat de binnenkant moet worden overspoeld met deeltjes met een hoge energie. Zet een voet in een Kerr-wormgat en je wordt knapperig gebakken.
De truc is dat de fysica de klassieke zwaartekrachtregels nog moet combineren met de kwantumwereld, een ongrijpbaar stukje wiskunde dat veel onderzoekers proberen vast te stellen. Juan Maldacena in Princeton en Leonard Susskind in Stanford stelden in één draai op de foto voor dat wormgaten kunnen lijken op de fysieke manifestaties van verstrengeling, wanneer kwantumobjecten verbonden zijn, ongeacht hoe ver ze uit elkaar liggen.
Einstein beschreef de verstrengeling beroemd als "spookachtige actie op afstand" en weerstond het idee. Maar veel experimenten vertellen ons dat verstrengeling echt is - het wordt al commercieel gebruikt om online communicatie te beschermen, zoals banktransacties. Volgens Maldacena en Susskind veranderen grote hoeveelheden verstrengeling de geometrie van ruimtetijd en kunnen wormgaten veroorzaken in de vorm van verstrengelde zwarte gaten. Maar hun versie is geen interstellaire gateway.
"Het zijn wormgaten waarmee je niet sneller dan het licht kunt reizen", zegt Maldacena. "Ze kunnen je echter toestaan om iemand binnen te ontmoeten, met het kleine voorbehoud dat ze dan allebei zouden sterven aan een gravitatie-singulariteit."
OK, dus zwarte gaten zijn een probleem. Wat kan een wormgat dan zijn? Avi Loeb van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics zegt dat onze opties wijd open staan: "Aangezien we nog geen theorie hebben die de algemene relativiteitstheorie met kwantummechanica betrouwbaar verenigt, weten we niet de hele dierentuin van mogelijke ruimtetijdstructuren die geschikt zijn voor wormgaten."
Een still uit de Interstellar- trailer toont het bloemachtige ruimteschip Endurance dat het wormgat nadert. (Paramount Pictures en Warner Brothers Entertainment, in samenwerking met Legendary Pictures) Er is nog steeds een storing. Thorne ontdekte in zijn werk uit 1987 dat elk type wormgat dat consistent is met de algemene relativiteitstheorie zal instorten tenzij het wordt gestut door wat hij "exotische materie" noemt met negatieve energie. Hij beweert dat we bewijs hebben van exotische materie dankzij experimenten die aantonen hoe kwantumfluctuaties in een vacuüm negatieve druk lijken te creëren tussen twee spiegels die heel dicht bij elkaar zijn geplaatst. En Loeb denkt dat onze observaties van donkere energie verdere aanwijzingen zijn dat er exotische materie kan bestaan.
"We zien dat in de recente kosmische geschiedenis sterrenstelsels van ons wegrennen met een snelheid die toeneemt met de tijd, alsof er op wordt gereageerd door afstotende zwaartekracht", zegt Loeb. "Deze versnelde uitbreiding van het universum kan worden verklaard als het universum is gevuld met een stof die een negatieve druk heeft ... net als het materiaal dat nodig is om een wormgat te creëren." Beide natuurkundigen zijn het er echter over eens dat je te veel exotische materie nodig hebt om een wormgat ooit op natuurlijke wijze te vormen, en alleen een zeer geavanceerde beschaving zou ooit kunnen hopen genoeg van het spul te verzamelen om een wormgat te stabiliseren.
Maar andere natuurkundigen zijn niet overtuigd. "Ik denk dat een stabiel, verplaatsbaar wormgat zeer verwarrend zou zijn en in strijd lijkt te zijn met de natuurkundige wetten die we kennen", zegt Maldacena. Sabine Hossenfelder van het Scandinavisch Instituut voor Theoretische Fysica in Zweden is zelfs sceptischer: "We hebben absoluut geen indicatie dat dit bestaat. Er wordt inderdaad algemeen aangenomen dat het niet kan bestaan, want als het wel zou werken, zou het vacuüm onstabiel zijn." Zelfs als er exotische materie beschikbaar was, is reizen erdoor misschien niet mooi. De exacte effecten zouden afhangen van de kromming van ruimtetijd rond het wormgat en de dichtheid van de energie erin, zegt ze. "Het is vrijwel net als bij zwarte gaten: te veel getijdenkrachten en je wordt uit elkaar gerukt."
Ondanks zijn banden met de film, is Thorne ook pessimistisch dat een doorkruist wormgat zelfs mogelijk is, veel minder overleefbaar. "Als ze kunnen bestaan, betwijfel ik ten zeerste dat ze zich op natuurlijke wijze kunnen vormen in het astrofysische universum", schrijft hij in het boek. Maar Thorne waardeert dat Christopher en Jonah Nolan, die Interstellar schreven, zo graag een verhaal wilden vertellen dat gegrondvest is in de wetenschap.
"Het verhaal is nu in wezen allemaal van Chris en Jonah, " vertelde Thorne aan Wired in een exclusief interview. "Maar de geest ervan, het doel van het hebben van een film waarin wetenschap vanaf het begin in de stof is ingebed - en het is geweldige wetenschap - die bewaard is gebleven."
