Ujemna
energia
i podróŻe
w czasie
Budowanie tuneli
czasoprzestrzennych i podróŻowanie
na krzywięnie wymaga szczególnego
rodzaju energii. Niestety, te same
prawa fizyki, które umoŻliwiają
istnienie ujemnej energii,
jednoczeĘnie ograniczają
jej w"asnoĘci
Lawrence H. Ford i Thomas A. Roman
zy jakiĘ obszar przestrzeni moŻe zawiera mniej
niŻ nic? Zdrowy rozsądek podpowiada, Że nie.
CZ wybranego obszaru moŻna co najwyŻej usu-
ną ca"ą materi i promieniowanie powstanie wówczas
próŻnia. Fizyka kwantowa zadziwiająco czsto zwodzi
naszą intuicj. W tym przypadku jest podobnie. Okazu-
je si, Że obszar przestrzeni moŻe zawiera mniej niŻ nic.
Jego energia na jednostk objtoĘci gstoĘ energii
moŻe by mniejsza od zera.
Jak "atwo si domyĘli, konsekwencje tego są niezwy-
k"e. Zgodnie z ogólną teorią wzgldnoĘci Einsteina, mate-
ria i energia powodują zakrzywienie przestrzeni i czasu.
To, co odczuwamy jako grawitacj, jest w istocie zakrzywie-
niem czasoprzestrzeni przez zwyk"ą dodatnią energi lub
mas. Gdy zakrzywienie przestrzeni jest spowodowane
ujemną energią lub masą zwaną egzotyczną materią
moŻliwe stają si bardzo dziwne zjawiska, na przyk"ad da-
jące si przenika tunele czasoprzestrzenne, które mogą
"ączy odleg"e obszary wszechĘwiata, podróŻe z prdkoĘcią
wikszą od prdkoĘci Ęwiat"a i maszyny czasu pozwala-
jące na przenoszenie si w przesz"oĘ. Ujemną energi moŻ-
na wykorzysta do budowy wiecznie poruszających si
maszyn lub niszczenia czarnych dziur. Nawet w Star Trek
nie zobaczylibyĘmy wikszych niespodzianek.
Dla fizyków ten wachlarz moŻliwoĘci jest alarmujący.
Potencjalne paradoksy związane z podróŻą wstecz w cza-
sie, jak zabicie w"asnego dziadka, zanim zosta" poczty
nasz ojciec, od dawna by"y wykorzystywane w fantasty-
ce naukowej. Inne konsekwencje ujemnej energii są rów-
nie niezwyk"e. Nasuwa si zasadnicze pytanie: czy pra-
wa fizyki dopuszczające istnienie ujemnej energii
34 WIAT NAUKI Kwiecieł 2000
SLIM FILMS; DAN WAGNER
(Times Square)
; JULIA WATERLOW Corbis
(Sahara)
GDYBY TUNELE CZASOPRZESTRZENNE MOGY ISTNIE, wygląda"yby jak sferycz-
ne otwory do odleg"ych obszarów kosmosu. Na tej komputerowo zmodyfikowanej fotogra-
fii Times Square tunel czasoprzestrzenny pozwala nowojorczykom przejĘ na Sahar jed-
nym krokiem, a nie mczy si przez kilkanaĘcie godzin w samolocie do Tamanrasset.
Wprawdzie takie tunele czasoprzestrzenne nie naruszają Żadnych znanych praw fizyki,
jednak zbudowanie ich wymaga nierealistycznych iloĘci ujemnej energii.
WIAT NAUKI Kwiecieł 2000 35
GóSTO WIATO ZWYKE
sposób na wyt"umienie tych drgał, próŻnia mia"aby mniej
ENERGII
energii niŻ normalnie, czyli mniej niŻ zero.
Na przyk"ad w optyce kwantowej uda"o si stworzy spe-
cjalne stany pola, w których kwantowa interferencja ograni-
cza fluktuacje próŻni. Te tzw. stany ĘciĘnite mają ujemną
energi; dok"adniej, obszary o dodatniej energii sąsiadują na
przemian z obszarami o ujemnej energii. Ca"kowita energia
uĘredniona po ca"ej przestrzeni pozostaje dodatnia; Ęciskając
próŻni, tworzymy ujemną energi w jednym miejscu kosz-
tem dodatkowej dodatniej energii gdzie indziej. W typowym
POOENIE
0
eksperymencie, w którym wytwarzane są stany ĘciĘnite,
wiązki lasera rozchodzą si w optycznie nieliniowym oĘrod-
GóSTO
WIATO CINIóTE
ku [patrz: Richart E. Slusher i Bernard Yurke, Squeezed Li-
ENERGII
ght ; Scientific American, maj 1988]. wiat"o lasera o duŻym
natŻeniu powoduje pojawienie si w oĘrodku par kwantów
Ęwiat"a fotonów. Fotony te na przemian wzmacniają i os"a-
biają fluktuacje próŻni, prowadząc do powstania obszarów
o dodatniej i ujemnej energii.
Inna metoda wytwarzania ujemnej energii wymaga geo-
metrycznego ograniczenia przestrzeni. W 1948 roku holen-
derski fizyk Hendrik B. G. Casimir wykaza", Że dwie nie na-
"adowane równoleg"e p"ytki metalowe, zmieniają fluktuacje
POOENIE
0
próŻni, co powoduje ich wzajemne przyciąganie si. Obliczo-
no póęniej, Że gstoĘ energii midzy p"ytkami jest ujemna.
P"ytki zmniejszają fluktuacje w obszarze przestrzeni midzy
FALE WIETLNE w róŻnych punktach mają zwykle dodatnią lub
nimi, a to wytwarza ujemną energi i ciĘnienie, które zbliŻa
zerową energi (na górze). W tzw. stanie ĘciĘnitym gstoĘ ener-
je ku sobie. Im mniejsza odleg"oĘ midzy p"ytkami, tym bar-
gii w pewnej chwili i w pewnych miejscach moŻe sta si ujemna
(na dole). Aby skompensowa ujemną energi, maksymalna dodat- dziej ujemne są energia i ciĘnienie oraz tym silniejsza si"a
nia energia musi wzrosną.
przyciągająca. T przyciągającą si", tzw. efekt Casimira, zmie-
rzyli ostatnio Steve K. Lamoreaux z Los Alamos National La-
boratory oraz Umar Mohideen i Anushree Roy z University
jednoczeĘnie ograniczają jej w"aĘciwoĘci? StwierdziliĘmy, Że of California w Riverside. W latach siedemdziesiątych Paul
natura nak"ada bardzo silne ograniczenia na wielkoĘ i czas C. W. Davies i Stephen A. Fulling, pracujący wówczas w
istnienia ujemnej energii, które jak si wydaje (niektórzy King s College w University of London, przewidzieli, Że po-
mogą by tym zawiedzeni) uniemoŻliwiają budowanie tu- ruszające si ograniczenie przestrzeni, na przyk"ad zwiercia-
neli czasoprzestrzennych i podróŻowanie z nadĘwietlnymi d"o, moŻe wytwarza strumieł ujemnej energii.
prdkoĘciami. Zarówno w przypadku efektu Casimira, jak i stanów Ęci-
Ęnitych zmierzono jedynie poĘrednie efekty ujemnej ener-
Mniej niŻ zero gii. BezpoĘrednie zaobserwowanie ujemnej energii jest trud-
niejsze, ale moŻliwe, jeŻeli wykorzysta si spin atomów, co
Na początek skoncentrujemy si na wyjaĘnieniu, czym nie w 1992 roku zaproponowa" jeden z nas (Ford) wraz z Peterem
jest ujemna energia. Nie naleŻy jej myli z antymaterią, któ- G. Grovem pracującym wówczas w Ministerstwie Spraw We-
ra ma dodatnią energi. Gdy elektron i jego antycząstka po- wntrznych Wielkiej Brytanii i Adrianem C. Ottewillem z Uni-
zyton zderzają si, ulegają anihilacji. Ostatecznym produk- versity of Oxford.
tem tego procesu są promienie gamma, które niosą dodatnią
energi. Gdyby antycząstki by"y zbudowane z ujemnej ener- Grawitacja i lewitowanie
gii, kołcowa energia takiego oddzia"ywania równa"aby si
zeru. Nie naleŻy teŻ myli ujemnej energii z energią związa- Koncepcja ujemnej energii pojawi"a si w kilku dziedzinach
ną ze sta"ą kosmologiczną wystpującą w modelu inflacyj- wspó"czesnej fizyki. WiąŻe si blisko z czarnymi dziurami, ty-
nym wszechĘwiata [patrz: Lawrence M. Krauss, Kosmolo- mi tajemniczymi obiektami wytwarzającymi tak silne pole
giczna antygrawitacja ; wiat Nauki, marzec 1999]. Ze sta"ą grawitacyjne, Że nic nie moŻe si wydosta z ograniczającego
kosmologiczną związane jest ujemne ciĘnienie, ale dodatnia je horyzontu zdarzeł. W 1974 roku Stephen W. Hawking prze-
energia. (Niektórzy nazywają to egzotyczną materią, tutaj to powiedzia" s"ynny dziĘ efekt parowanie czarnej dziury po-
okreĘlenie rezerwujemy dla ujemnej gstoĘci energii.) przez emisj promieniowania [patrz: Stephen W. Hawking,
Ujemna energia nie jest czystą fantazją. Niektóre jej efekty The Quantum Mechanics of Black Holes ; Scientific Ameri-
zosta"y bowiem potwierdzone laboratoryjnie. Ujemna ener- can, styczeł 1977]. Czarna dziura emituje promieniowanie
gia jest konsekwencją zasady nieoznaczonoĘci Heisenberga, w tempie proporcjonalnym do odwrotnoĘci kwadratu jej ma-
która wymaga, aby gstoĘ energii pola elektrycznego, magne- sy. Wprawdzie tempo parowania jest duŻe tylko dla subato-
tycznego oraz innych pól przypadkowo fluktuowa"a. JeŻeli mowych czarnych dziur, jednak stanowi waŻny "ącznik mi-
nawet uĘredniona gstoĘ energii jest równa zeru, jak w próŻ- dzy prawami czarnych dziur i prawami termodynamiki.
ni, to jednak ulega ona fluktuacjom. Zatem kwantowa próŻ- Promieniowanie Hawkinga pozwala czarnym dziurom osią-
nia nie moŻe by pusta w klasycznym sensie, jest to bowiem ga stan równowagi termodynamicznej z ich otoczeniem.
ciągle zmieniające si morze wirtualnych cząstek spontanicz- Na pierwszy rzut oka parowanie czarnych dziur prowa-
nie powstających i znikających. dzi do sprzecznoĘci. Horyzont ograniczający czarną dziur
W teorii kwantowej pojciu zerowej energii odpowiada jest membraną jednostronnie przepuszczalną, przez którą
próŻnia z tymi wszystkimi fluktuacjami. Gdyby ktoĘ znalaz" energia moŻe tylko wnika do czarnej dziury. W jaki sposób
36 WIAT NAUKI Kwiecieł 2000
LISA BURNETT
zatem czarna dziura wypromieniowuje energi? PoniewaŻ takie moŻliwe do przejĘcia tunele czasoprzestrzenne wyma-
energia musi by zachowana, wytwarzaniu dodatniej ener- gają ujemnej energii. PoniewaŻ ujemna energia jest grawita-
gii, którą daleki obserwator utoŻsamia z promieniowaniem cyjnie odpychająca, przeciwdzia"a"aby zapadaniu si tunelu.
Hawkinga, towarzyszy strumieł ujemnej energii wpadający Aby tunel czasoprzestrzenny nadawa" si do podróŻy, po-
do czarnej dziury. Ujemną energi wytwarza bardzo silnie winien przynajmniej przepuszcza sygna"y Ęwietlne. Promie-
zakrzywiona czasoprzestrzeł w otoczeniu czarnej dziury, nie Ęwietlne, wchodząc do jednego otworu tunelu, zbiegają si
która zak"óca fluktuacje próŻni. Ujemna energia jest niezbd- i aby wyjĘ z drugiej strony, muszą si rozbiega. Innymi s"o-
na do niesprzecznego powiązania fizyki czarnych dziur z ter- wy, gdzieĘ wewnątrz tunelu zbiegający si strumieł musi za-
modynamiką. czą si rozbiega [ilustracja poniŻej], a to wymaga ujemnej
Czarne dziury nie są jedynymi obszarami silnie zakrzy- energii. Podczas gdy krzywizna przestrzeni, wytwarzana
wionej czasoprzestrzeni, gdzie wystpuje ujemna energia. In- przez przyciągające pole grawitacyjne zwyk"ej materii, dzia-
ne takie miejsce to tunel czasoprzestrzenny hipotetyczna "a jak soczewka skupiająca, ujemna energia dzia"a jak soczew-
rura "ącząca jeden obszar przestrzeni i czasu z innym. Fizycy ka rozpraszająca.
zwykli uwaŻa, Że tunele czasoprzestrzenne mogą istnie tyl-
ko w bardzo ma"ej skali oraz powstawa i znika jak wirtual- Bez magii
ne cząstki [patrz: Bryce S. DeWitt, Quantum Gravity ; Scien-
tific American, grudzieł 1983]. Na początku lat szeĘdziesiątych Takie deformacje czasoprzestrzeni umoŻliwia"yby realiza-
Robert Fuller i John A. Wheeler wykazali, iŻ wiksze tunele cj innej idei fantastycznonaukowej podróŻy z prdkoĘcia-
czasoprzestrzenne zapada"yby si pod wp"ywem w"asnej gra- mi wikszymi od prdkoĘci Ęwiat"a. W 1994 roku Miguel Al-
witacji tak szybko, Że nawet strumieł Ęwiat"a nie móg"by ich cubierre Moya, wówczas w University of Wales w Cardiff,
przenikną. znalaz" rozwiązanie równał Einsteina, które ma wiele cech
W kołcu lat osiemdziesiątych wielu badaczy, a g"ównie Mi- niezbdnych do realizacji nadĘwietlnych podróŻy. Opisuje
chael S. Morris i Kip S. Thorne z California Institute of Techno- ono bąbel czasoprzestrzenny, który przenosi statek kosmicz-
logy oraz Matt Visser z Washington University, wykaza"o, Że ny z dowolnie duŻą prdkoĘcią wzgldem obserwatora znaj-
jest inaczej. Niektóre tunele mogą by wystarczająco duŻe, by dującego si na zewnątrz bąbla. Obliczenia wskazują, Że do
zmieĘci" si w nich cz"owiek lub statek kosmiczny. Da"oby si realizacji tego potrzebna jest ujemna energia.
wówczas wejĘ do takiego tunelu, gdzieĘ blisko Ziemi, a po Wydaje si, Że podróŻe z nadĘwietlnymi prdkoĘciami są
paru krokach wewnątrz, wyjĘ z drugiej strony, na przyk"ad sprzeczne ze szczególną teorią wzgldnoĘci. W istocie szcze-
w galaktyce Andromedy. Problem polega jednak na tym, Że gólna teoria wzgldnoĘci mówi tylko, Że nie moŻna wyprze-
OBSZAR NA ZEWNŃTRZ TUNELU
CZASOPRZESTRZENNEGO
A
OTWÓR
UJEMNA ENERGIA
TUNEL
B
TUNEL CZASOPRZESTRZENNY jest jakby rurą midzy dwoma róŻnymi miejscami w przestrzeni. Promienie Ęwietlne biegnące z A do
B mogą wejĘ przez jeden otwór tunelu, przenikną go i wyjĘ z drugiej strony, pokonując w ten sposób drog, której przebycie bez
skrótów wymaga"oby znacznie wicej czasu. W tunelu musi by zgromadzona ujemna energia (niebieski), której pole grawitacyjne po-
woduje, Że zbiegające si promienie Ęwietlne rozbiegają si. (Ten dwuwymiarowy rysunek reprezentuje trójwymiarową przestrzeł.)
Wprawdzie nie zosta"o to tu pokazane, ale tunel czasoprzestrzenny moŻe teŻ "ączy dwa róŻne momenty czasowe.
WIAT NAUKI Kwiecieł 2000 37
MICHAEL GOODMAN
PROMIEĄ WIETLNY
BŃBEL CZASOPRZESTRZENNY
to najlepsza realizacja we wspó"- NA ZEWNŃTRZ BŃBLA
czesnej fizyce idei podróŻy z nad-
Ęwietlną prdkoĘcią tak chtnie
rozpatrywanej w fantastyce na-
UJEMNA ENERGIA
ukowej. Czasoprzestrzeł kurczy
si przed bąblem, zmniejszając
odleg"oĘ od celu, a rozszerza za
bąblem, zwikszając odleg"oĘ od
Ęrodka (strza"ki). Statek kosmicz-
ny nie porusza si wzgldem naj-
BŃBEL
bliŻszej otaczającej go przestrze-
ni, jego za"oga nie odczuwa
Żadnych przyspieszeł. Konstruk-
cja takiego bąbla wymaga, aby po
jego bokach skoncentrowana by-
"a ujemna energia.
WNóTRZE BŃBLA
KIERUNEK RUCHU
dzi sygna"u Ęwietlnego poruszającego si tą samą drogą. porusza si z prdkoĘcią bliską prdkoĘci Ęwiat"a i wraca, po-
Gdy czasoprzestrzeł jest zdeformowana, moŻna wyprzedzi starzeje si mniej niŻ ten, który pozostaje na Ziemi. JeŻeli po-
sygna" Ęwietlny, wybierając inną drog, pójĘ na skróty. ci- dróŻnik zdo"a przeĘcigną Ęwiat"o, jadąc na skróty przez tunel
Ęnicie czasoprzestrzeni przed bąblem i rozciągnicie jej za czasoprzestrzenny lub bąbel, moŻe powróci, zanim wyruszy".
bąblem tworzy taki skrót [ilustracja powyŻej]. W 1988 roku Morris, Thorne i Ulvi Yurtsever, pracujący wów-
Sergiej W. KraĘnikow z Centralnego Obserwatorium Astro- czas w Caltechu, zaproponowali wehiku" czasu wykorzystują-
nomicznego w Pulkowie ko"o St. Petersburga zauwaŻy", Że cy tunel czasoprzestrzenny. Ich praca spotka"a si z wielkim
w modelu Alcubierre a wntrze bąbla jest przyczynowo nie zainteresowaniem i w ostatnim dziesicioleciu stymulowa"a
związane z jego przednią czĘcią. Kapitan statku kosmicznego wiele badał nad podróŻami w czasie. W 1992 roku Hawking
znajdujący si wewnątrz bąbla nie moŻe nim sterowa ani teŻ wykaza", Że zbudowanie wehiku"u czasu w skołczonym ob-
utworzy go lub zniszczy, bąbel musi zbudowa ktoĘ z ze- szarze czasoprzestrzeni wymaga ujemnej energii.
wnątrz i kierowa jego zachowaniem. Aby ominą t trudnoĘ, Ujemna energia jest tak dziwna, Że moŻna przypuszcza, iŻ
KraĘnikow zaproponowa" nadĘwietlną autostrad tub zmo- musi narusza jakieĘ prawa fizyki. Przed i po utworzeniu ta-
dyfikowanej czasoprzestrzeni (to nie to samo co tunel czaso- kich samych iloĘci ujemnej i dodatniej energii w przestrzeni,
przestrzenny) "ączącą Ziemi i odleg"ą gwiazd. Wewnątrz ta- która przedtem by"a pusta, ca"kowita energia jest zerowa, a za-
kiej tuby moŻliwa by"aby nadĘwietlna podróŻ, ale tylko w jedną tem zasada zachowania energii jest spe"niona. Istnieje jednak
stron. Podczas lotu w jedną stron za"oga statku kosmicznego, wiele zjawisk, które nie naruszają zasady zachowania energii,
poruszającego si z prdkoĘcią podĘwietlną, budowa"aby taką a mimo to w realnym Ęwiecie nigdy nie wystpują. Rozbita
tub. W drodze powrotnej mogliby podróŻowa przez nią szklanka sama si nie skleja, a ciep"o nie przep"ywa od cia"a
z prdkoĘcią wikszą od prdkoĘci Ęwiat"a. Zbudowanie takich zimniejszego do cieplejszego. Takie zjawiska są niemoŻliwe,
tub, tak jak i tuneli czasoprzestrzennych, wymaga wykorzysta- gdyŻ naruszają drugą zasad termodynamiki. To ogólne pra-
nia ujemnej energii. Póęniej Ken D. Olum z Tufts University wo powiada, Że stopieł nieuporządkowania uk"adu jego en-
i Visser wraz z Bruce em Bassettem z Oksfordu oraz Stefano tropia nie moŻe sama z siebie male, bez wk"adu energii. Za-
Liberatim z Midzynarodowej Szko"y Studiów Zaawansowa- tem lodówka, która pompuje energi z zimniejszego wntrza
nych w TrieĘcie wykazali, Że kaŻda podróŻ z nadĘwietlną prd- do cieplejszego otoczenia, wymaga zewntrznego ęród"a ener-
koĘcią wymaga wykorzystywania ujemnej energii. gii. Podobnie, zgodnie z drugim prawem termodynamiki, nie
Gdyby da"o si zbudowa tunele czasoprzestrzenne i podró- moŻna ca"kowicie zamieni ciep"a w prac.
Żowa z prdkoĘcią wikszą niŻ Ęwiat"o, moŻliwe by"yby podró- Istnienie ujemnej energii jest potencjalnie sprzeczne z dru-
Że w czasie. Bieg czasu jest wzgldny i zaleŻy od prdkoĘci ob- gą zasadą termodynamiki. Wyobraęmy sobie egzotyczny la-
serwatora. KtoĘ, kto opuszcza Ziemi w statku kosmicznym, ser wytwarzający sta"y strumieł ujemnej energii. Zasada za-
38 WIAT NAUKI Kwiecieł 2000
MICHAEL GOODMAN
WIDOK Z PRZODU WIDOK Z TYU
90 90
60
120
45 135
30 150
165
15
STATEK NIE PORUSZA SIó
90 90
60 120
45 135
30 150
165
15
WIDOK Z LUKU STATKU KOSMICZNEGO, poruszającego si PRóDKO 10 RAZY WIóKSZA OD PRóDKOCI WIATA
z prdkoĘcią wikszą od prdkoĘci Ęwiat"a w kierunku Wielkiej 90 90
120
Niedęwiedzicy, nie przypomina strumieni gwiazd opisywanych 60
zwykle w literaturze fantastycznonaukowej. Gdy prdkoĘ wzra- 45 135
sta (z prawej), gwiazdy przed statkiem (z lewej) wydają si sku-
30 150
pia coraz bardziej wzd"uŻ kierunku ruchu i stają si coraz bar-
dziej niebieskie. Po przeciwnej stronie gwiazdy odsuwają si, stają 165
15
si bardziej czerwone i w kołcu znikają z pola widzenia. wiat"o
gwiazd, znajdujących si dok"adnie nad g"ową lub pod nogami,
nie zmienia si.
chowania energii wymaga, aby towarzyszy" mu strumieł do-
datniej energii. Strumieł ujemnej energii moŻna skierowa
do jakiegoĘ odleg"ego zakątka wszechĘwiata, a dodatnią ener-
gi wykorzysta do wykonania jakiejĘ poŻytecznej pracy. To PRóDKO 100 RAZY WIóKSZA OD PRóDKOCI WIATA
na pozór niewyczerpane ęród"o energii moŻna by wykorzy-
sta do budowy wiecznie dzia"ającej maszyny, a wic naruszy
drugie prawo termodynamiki. Strumieł ujemnej energii skie- zmniejszenie ich masy grozi w zasadzie zniszczeniem hory-
rowany na naczynie z wodą ch"odzi ją, a uzyskaną w ten spo- zontu i zamianą czarnej dziury w go"ą osobliwoĘ. Próby do-
sób dodatnią energi da"oby si wykorzysta do zasilania nie- "adowania lub dalszego rozkrcenia tych czarnych dziur za
wielkiego silnika tworząc w ten sposób lodówk nie pomocą zwyk"ej materii wydają si nierealne z wielu róŻnych
wymagającą zewntrznego zasilania. Te problemy pojawia- powodów. MoŻna by jednak zmniejszy mas czarnej dziu-
ją si nie dlatego, Że istnieje ujemna energia, ale dlatego Że ry, oĘwietlając ją strumieniem ujemnej energii, co nie zmienia
nastpuje rozdzielenie ujemnej i dodatniej energii. jej "adunku i momentu pdu, a narusza zasad kosmicznego
Swobodna ujemna energia mia"aby równieŻ daleko idące cenzora. Taki strumieł ujemnej energii da"oby si wytwo-
konsekwencje dla czarnych dziur. Gdy podczas zapadania rzy, na przyk"ad korzystając z poruszającego si zwiercia-
si umierającej gwiazdy tworzy si czarna dziura, ogólna teo- d"a. JuŻ znikoma iloĘ ujemnej energii powoduje dramatyczne
ria wzgldnoĘci przewiduje powstanie osobliwoĘci obsza- zmiany w stanie ekstremalnej czarnej dziury. Niewykluczo-
ru czasoprzestrzeni, gdzie pole grawitacyjne jest nieskołcze- ne, Że jest to najlepszy sposób na wywo"anie makroskopo-
nie silne. W tej sytuacji ogólna teoria wzgldnoĘci i wszystkie wych efektów przez ujemną energi.
inne znane prawa fizyki nie są w stanie przewidzie, co si sta-
nie dalej. Ta niemoŻnoĘ obnaŻa s"aboĘ obecnego matema- NierównoĘci kwantowe
tycznego opisu natury. Dopóki osobliwoĘ ukrywa si pod
horyzontem zdarzeł, dopóty jest to niewielki problem. Oso- Na szczĘcie lub nie, w zaleŻnoĘci od punktu widzenia,
bliwoĘ nie ma wp"ywu na opis tego, co znajduje si na ze- cho kwantowa teoria umoŻliwia istnienie ujemnej energii,
wnątrz horyzontu. Dlatego Roger Penrose z Oksfordu wy- wydaje si, Że jednoczeĘnie narzuca silne ograniczenia zna-
suną" hipotez kosmicznego cenzora, która powiada, Że go"e ne jako kwantowe nierównoĘci na iloĘ ujemnej energii
osobliwoĘci, nie otoczone horyzontem, nie mogą istnie. i czas jej istnienia. Te nierównoĘci po raz pierwszy poda" Ford
Dla na"adowanych lub obracających si czarnych dziur w 1978 roku. W ciągu ostatnich dziesiciu lat zosta"y one udo-
szczególnego typu, zwanych ekstremalnymi, nawet niewiel- wodnione i udoskonalone przez nas i innych, m.in. przez
kie powikszenie ich "adunku lub momentu pdu bądę anna E. Flanagana z Cornell University, Michaela J. Pfen-
WIAT NAUKI Kwiecieł 2000 39
MICHAEL GOODMAN; ŁRÓDO: CHAD CLARK, WILLIAM. A. HISCOCK i SHANE L. LARSON,
Montana State University
o dodatniej energii przez d"uŻszy okres, ale jego efekty bdą
a
nieodróŻnialne od zwyk"ych fluktuacji termicznych. Próby
z"apania ujemnej energii lub rozdzielenia jej od dodatniej teŻ
są skazane na niepowodzenie. Da"oby si z"apa strumieł
IMPULS
energii, na przyk"ad korzystając z pud"a z zapadką. Zamy-
O DODATNIEJ
kając zapadk, moŻna mie nadziej na schwytanie impulsu
ENERGII
o ujemnej energii, zanim dotrze impuls o dodatniej energii.
IMPULS
O UJEMNEJ
Jednak sama czynnoĘ zamykania zapadki wytwarza stru-
ENERGII
mieł dodatniej energii niwelujący ujemną energi, którą chcia-
no z"apa.
b
Kosmiczne b"yski i kwantowe zyski
PokazaliĘmy, Że podobne ograniczenia istnieją, gdybyĘmy
chcieli naruszy zasad kosmicznego cenzora. Impuls ujem-
nej energii skierowany do czarnej dziury moŻe chwilowo
zniszczy horyzont, ods"aniając wewntrzną osobliwoĘ. Te-
mu impulsowi bdzie towarzyszy" impuls o dodatniej ener-
gii, który z powrotem przemieni go"ą osobliwoĘ w czarną
dziur scenariusz, który nazwaliĘmy kosmicznym b"yskiem.
c
Najlepszą okazj do zaobserwowania takiego kosmicznego
IMPULS O DODATNIEJ
b"ysku mielibyĘmy, gdybyĘmy mogli maksymalnie zwik-
ENERGII UTWORZONY
szy odstp czasu midzy impulsami o ujemnej i dodatniej
W MOMENCIE ZAMYKANIA
PRZESONY
energii, co pozwoli"oby obserwowa go"ą osobliwoĘ tak d"u-
go, jak to jest moŻliwe. Wówczas jednak, zgodnie z kwanto-
wymi nierównoĘciami, impuls ujemnej energii musia"by by
bardzo ma"y. Zmiana masy czarnej dziury spowodowana im-
pulsem o ujemnej energii zosta"aby rozmyta przez zwyk"e
fluktuacje termiczne masy czarnej dziury, które są naturalną
konsekwencją zasady nieoznaczonoĘci. Obraz go"ej osobli-
PRÓBY OMINIóCIA PRAW KWANTOWYCH, które rządzą ujem-
woĘci by"by wic rozmyty, tak Że odleg"y obserwator nie
ną energią, nieuchronnie kołczą si niepowodzeniem. Badacz sta-
móg"by stwierdzi z ca"ą pewnoĘcią, czy hipoteza kosmiczne- ra si oddzieli impuls o ujemnej energii od kompensującego go im-
pulsu o dodatniej energii. Gdy impulsy zbliŻają si do pud"a (a),
go cenzora zosta"a naruszona.
obserwator usi"uje odizolowa impuls o ujemnej energii, zamyka-
Ostatnio wykazaliĘmy, a niezaleŻnie równieŻ Frans Preto-
jąc przes"on w momencie, gdy ten znajdzie si w pudle (b). Sam
rius, pracujący wówczas w University of Victoria, oraz Few-
proces zamykania przes"ony powoduje powstanie wewnątrz pu-
ster i Teo, Że nierównoĘci kwantowe nak"adają na ujemną
d"a impulsu o dodatniej energii (c).
energi nawet jeszcze silniejsze ograniczenia. Impuls o do-
datniej energii, który nieuchronnie towarzyszy początkowe-
mu impulsowi o ujemnej energii, musi z nawiązką kompen- Koncepcja ujemnej energii "ączy wiele dzia"ów fizyki: gra-
sowa efekty impulsu o ujemnej energii. Ta dodatkowa witacj, teori kwantową, termodynamik. Powiązania tak wie-
kompensacja jest tym silniejsza, im d"uŻszy jest odstp czasu lu dziedzin ilustrują silny logiczny związek midzy prawami na-
midzy impulsami. Dlatego impulsy o ujemnej i dodatniej tury. Z jednej strony ujemna energia wydaje si niezbdna do
energii nigdy si dok"adnie nie znoszą. Dodatnia energia mu- pogodzenia fizyki czarnych dziur z termodynamiką. Z drugiej
si zawsze przewaŻa efekt zwany kwantowym zyskiem. Je- fizyka kwantowa uniemoŻliwia nieograniczoną produkcj
Żeli ujemną energi traktujemy jak poŻyczk energii, to trze- ujemnej energii, co prowadzi"oby do naruszenia drugiej zasa-
ba ją sp"aci z pewnymi odsetkami. Im d"uŻszy okres, na jaki dy termodynamiki. Czy ęród"em tych ograniczeł jest jakaĘ g"b-
zaciągnliĘmy poŻyczk, lub wiksza wartoĘ kredytu, tym sza teoria, na przyk"ad kwantowa grawitacja, dopiero si oka-
wiksze są odsetki. Prócz tego, im wiksza jest poŻyczka, tym Że. Natura bez wątpienia nieraz jeszcze nas zaskoczy.
krótszy czas, na jaki moŻemy ją zaciągną. Natura jest bez-
T"umaczy"
wzgldnym bankierem i zawsze domaga si zwrotu d"ugu. Marek Demiałski
Informacje o autorach Literatura uzupe"niająca
LAWRENCE H. FORD i THOMAS A. ROMAN przez ponad BLACK HOLES AND TIME WARPS: EINSTEIN S OUTRAGEOUS LEGACY. Kip S. Thorne,
10 lat wspólnie badali problemy związane z ujemną energią. W.W. Norton, 1994.
Ford zrobi" doktorat w Princeton University w 1974 roku. Pro- LORENTZIAN WORMHOLES: FROM EINSTEIN TO HAWKING. Matt Visser; American
motorem jego pracy by" John A. Wheeler, jeden z twórców fi- Institute of Physics Press, 1996.
zyki czarnych dziur. Obecnie Ford jest profesorem fizyki w QUANTUM FIELD THEORY CONSTRAINS TRAVERSABLE WORMHOLE GEOMETRIES. L. H.
Tufts University i pracuje nad problemami ogólnej teorii Ford i T. A. Roman; Physical Review D, tom 53, nr 10, s. 5496-5507, 15 V
wzgldnoĘci i teorii kwantowej, a szczególnie interesuje si 1996, dostpna w: xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9510071
fluktuacjami kwantowymi. Jego inne pasje to spacery po la- THE UNPHYSICAL NATURE OF WARP DRIVE. M. J. Pfenning i L. H. Ford; Classical
sach Nowej Anglii i zbieranie grzybów. Roman uzyska" dok- and Quantum Gravity, tom 14, s. 1743-1751, VII/1997, dostpna w:
torat w Syracuse University. Jego promotorem by" Peter Berg- xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9702026
mann, który wspó"pracowa" z Einsteinem nad zunifikowaną PARADOX LOST. Paul Davies; New Scientist, tom 157, nr 2126, s. 26, 21 III 1998.
teorią pola. W ciągu ostatnich 10 lat Roman czsto odwiedza" TIME MACHINES: TIME TRAVEL IN PHYSICS, METAPHYSICS, AND SCIENCE FICTION. Wy-
Instytut Kosmologii w Tufts University, a obecnie jest profeso- danie II. Paul J. Nahin; AIP Press, Springer-Verlag, 1999.
rem w Central Connecticut State University. Interesuje si THE QUANTUM INTEREST CONJECTURE. L. H. Ford i T. A. Roman; Physical Review
wnioskami wynikającymi z faktu istnienia ujemnej energii D, tom 60, nr 10 praca nr 104018 (8 stron), 15 XI 1999, dostpna w:
w kwantowej teorii grawitacji. Nie przepada za grzybami. xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9901074
WIAT NAUKI Kwiecieł 2000 41
MICHAEL GOODMAN
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
47 Przygotowania do podróżytechniki energizacji miesni chaitowaJoe Vitale Podróże do wnętrza siebieThomas Pikettyenergia GibbsaFORD BRONCO 1987Przesył i dystrybucja energii elektrycznej Frąckowiak KŁ 2012więcej podobnych podstron