Myšlenka červí díry (Einsteinova-Rosenova mostu) vychází z Einsteinovy obecné teorie relativity, pokud se jako základ použije Schwarzschildova geometrie časoprostoru, která popisuje centrálně symetrické rozložení hmoty, nebo přesněji úplná extenze řešení Reissnerovy-Nordströmovy geometrie (pro centrálně symetrické elektricky nabité rozložení hmoty) nebo Kerrova Newmanova geometrie (pro rotující centrálně symetrické elektricky nabité rozložení hmoty). Tato řešení jsou neobyčejně složitá, protože obsahují nekonečné množství periodicky se opakujících samostatných rovinných vnějších oblastí, horizontů a singularit.

Při gravitačním kolapsu Schwarzschildovo řešení popisuje geometrii prostoročasu pouze nad povrchem kolabující hvězdy a většina rozšířeného řešení se proto nerealizuje. Pozorovatel v Reissnerově-Nordströmově nebo Kerrově-Newmanově prostoročase protne vnitřní Cauchyho horizont a může se dostat do "jiného" vesmíru. Při gravitačním kolapsu elektricky nabité nebo rotující hvězdy by existovala možnost, že po protnutí vnitřního Cauchyova horizontu se smršťující hmota může vyhnout singularitě a začít se znovu rozpínat do jiné oblasti prostoročasu ("jiného vesmíru"), který leží v absolutní budoucnosti vzhledem k původnímu času.

Pokud částice pronikne vnějším horizontem, dostane se pod horizont událostí a nemůže se vrátit do původního prostoročasu. Částice se může dostat do singularity, kde její světočára končí, ale také se může singularitě vyhnout a pohybovat se dále do druhé asymptoticky rovinné oblasti, která je vzhledem k první oblasti v absolutní budoucnosti. Na rozdíl od Schwarzschildovy geometrie tedy částice může přejít mezi jednotlivými "vesmíry", aniž by musela projít singularitou. Je třeba však poznamenat, že tento přechod je teoreticky platný pouze pro ideální model asymptoticky rovinného vesmíru s přesnou Reissnerovou-Nordströmovou nebo Kerrovou-Newmanovou geometrií.

Pokud uvažujeme kauzální vztahy tohoto druhého "vesmíru" vzhledem k původnímu vesmíru, ukazuje se že vnitřní horizonty jsou současně Cauchyho horizonty. Pokud uvažujeme nějakou událost ve druhém "vesmíru", může být v principu ovlivněna geodetikami z původního vesmíru, ale také "nekontrolovaně" z jiných geodetik, které přicházejí ze singularity. Je tedy vidět, že i v nekvantové teorii nelze předvídat budoucnost nejen kvůli nedostupnosti fyzikálních veličin ve všech místech vesmíru, ale také kvůli globální geometrické a topologické struktuře prostoročasu.

Přesné Reissnerovo-Nordströmovo nebo Kerrovo-Newmanovo řešení obsahující Einsteinovy-Rosenovy tunely mezi různými vesmíry platí pouze pro jinak zcela prázdný asymptoticky rovinný vesmír. Vnitřní Cauchyho horizont uvnitř černé díry je však nestabilní vůči perturbacím vznikajícím vně černé díry. Analýza kvantových procesů tvorby částic v silných polích černé díry ukazuje, že i v případě prázdného vnějšího prostoru by došlo ke kvantové nestabilitě vnitřního horizontu. Jakákoliv částice, která by měla projít Einsteinovým-Rosenovým mostem, může způsobit jeho uzavření jako důsledek nestability.

Většina fyziků považuje tento výsledek za správný, protože nemohou existovat kauzální paradoxy. Einsteinova speciální teorie relativity považuje prostoročas za velmi hladký a symetrický. Požaduje úplnou ekvivalenci souřadnicových soustav pohybujících se konstantní rychlostí. Proto existence červí díry představuje pro speciální teorii relativity problém z hlediska invariance fyzikálních zákonů vůči změně souřadnicové soustavy. Pokud by červí díra spojovala oddělené oblasti časoprostoru, existovala by určitá "preferovaná soustava souřadnic" a absolutní prostor.
 

Nestabilita červích děr se stala předmětem diskusí. Práce Michaela Morrise, Kipa Thorna a Ulviho Yurtsevera z Caltechu publikovaná v roce 1988 v časopise Physical Review Letters popisuje, jak pokročilá civilizace vytvoří masivní červí díru, stabilizuje ji, aby se zabránilo jejímu kolapsu a vytvoří z ní stroj času, zařízení pro pohyb v čase. Stabilní červí díry v této práci představují novou třídu řešení Einsteinových rovnic.

Dosud neexistuje uspokojivá teorie, která by sjednocovala do jednoho matematického rámce kvantovou teorii a fyziku silných gravitačních polí. Morrisova, Thornova a Yurtseverova práce ukázala, že v rámci obecné teorie relativity existuje možnost pohybu nadsvětelnou rychlostí a cestování v čase. Autoři uvádějí, že případné vyvrácení jejich argumentů může pomoci rozvoji teorie kvantové gravitace.

Kvantová teorie ukazuje, že vakuum není zcela prázdné. Podle Heisenbergova principu neurčitosti v něm vznikají virtuální páry částic a antičástic existují tak krátce, že neporušují zákon zachování energie. Na úrovni odpovídající kvantové gravitaci (rozměry srovnatelné s Planckovou délkou 10^-33 cm) se objevují fluktuace samotné topologie a geometrie prostoročasu, vznikají a zanikají topologické tunely a podobně. Časoprostor má spontánně fluktuující mikrostrukturu.

Kvantové fluktuace způsobují, že časoprostor vesmíru má kromě gravitační kosmologické křivosti také křivost mikroskopickou, na jejíž úrovni vznikají spontánně ústí topologických tunelů. Podle některých teoretiků by kladný a záporný náboj elektromagnetického pole mohly tvořit konce jednoho topologického tunelu. Pozorované elementární částice mají rozměr řádově 10²⁰-krát větší než je Planckova délka a proto by mohly být kolektivními excitacemi (zahrnujícími velké množství elementárních fluktuací) v oblasti silných fluktuací mikrogeometrie.

Kolektivní excitace jako projev makroskopických kvantových jevů jsou dnes studovány ve fyzice nízkých teplot. Příkladem jsou kvazičástice, které představují kolektivní excitace soustavy jako celku, jichž se účastní všechny částice soustavy. Základní stav makroskopické kvantové soustavy neobsahuje žádné kvazičástice. Při nízké teplotě mohou v kondenzované soustavě vznikat různé klasické kmitavé procesy. Kvantová teorie tento proces kvantuje pomocí kvazičástic. Kolektivní kvazičástice jsou bosony, které existují pouze v soustavě, která je tvoří. Kvazičástice nemají zákony zachování jako klasické částice a mohou v soustavě vznikat, zanikat, měnit svůj počet při srážkách a podobně. Fyzika pevných částic zná několik kolektivních excitací. Fonony jsou kvanta oscilací celého souboru částic kolem rovnovážné polohy. Magnony a paramagnony jsou kvanta spinových vln, plazmony jsou kvanta oscilací nábojové hustoty v plazmatu nebo pevné fázi. [2]

Na úrovni kvantové gravitace náhodné fluktuace topologie mohou vést ke vzniku kvantových černých děr. Jejich existence je ohraničena dobou 10^-23 sekundy. Velmi zakřivené oblasti prostoru se tak mohou dostat do vzájemného kontaktu. Morris, Thorne a Yurtsever se domnívají, že budoucí vyspělá civilizace by mohla nějakou kvantovou černou díru zvětšit na makroskopickou velikost, čímž by se vytvořilo spojení mezi určitými body prostoru. Touto černou dírou by kvantově mechanickým procesem tunelování bylo možno přejít z jednoho kvantového stavu do jiného. Takový přechod na klasické úrovni porušuje zákon zachování energie.

Stabilizaci červí díry jejím oddělením od kvantové topologie a zabránění jejímu zpětnému kolapsu lze podle Morris, Thorna a Yurtsevera provést pomocí silných elektrických polí, která mají dostatek energie k tomu, aby červí díra zůstala otevřena. Autoři navrhují pomocí sfér elektrických nábojů na obou stranách červí díry zajistit rovnováhu mezi gravitačním smršťováním červí díry a odpudivou silou elektrického pole. Takový systém by mohl mít mikroskopické a snad i makroskopické rozměry.
 

Morris, Thorne a Yurtsever také navrhují konstrukci stroje času. Předpokládejme, že mezi dvěma body A, B v prostoru existuje spojení červí dírou, přičemž oba body jsou časově simultánní. Pozorovatel v bodě A naměří v bodě B stejný čas pomocí světelného signálu, který prochází červí dírou, jako kdyby se tento signál šířil normálním prostorem.

Nyní se využije paradoxu dvojčat speciální teorie relativity. Ústí červí díry kolem bodu B se například naloží do raketoplánu, který se velmi vysokou rychlostí přemístí do značné vzdálenosti a pak se vrátí do blízkosti bodu A. Při rychlosti raketoplánu blízké rychlosti světla dojde k relativistické dilataci času. Proto ústí červí díry v bodě B bude mít jiný čas, než ústí červí díry v bodě A. Tímto způsobem by bylo možno cestovat do minulosti nebo do budoucnosti, podle toho, které ústí červí díry by cestovatel využil.

Speciální teorie relativity není strojem času vyvrácena, jak se snad může zdát. Předpoklady této teorie hovoří o inerciálních vztažných soustavách, tedy takových, které se pohybují vůči sobě bez zrychlení. Porovnání hodin mezi oběma konci červí díry není definováno, protože jedny hodiny se nacházejí v budoucnosti hodin druhých.

Konstrukce prostoročasového spojení červí dírou ale porušuje princip kauzality, který požaduje, aby příčina vždy předcházela v čase důsledek. Princip kauzality proto neumožňuje cestování proti směru času.

Morrisova, Thornova a Yurtseverova práce naznačuje, že pokud má princip kauzality platit, musí být nutně zachován na kvantové úrovni. Kvantová teorie gravitace může ukázat, že existují nová fyzikální omezení, která zabraňují použití červích děr jako stroje času. Obecná teorie relativity ani kvantová teorie nevylučují cestování v čase nebo pohyb nadsvětelnou rychlostí. Spojení těchto dvou teorií ale může ukázat opak.
 

David Hochberg a Thomas W. Kephart z Vanderbilt University zjistili, že samotná gravitace může vytvářet oblasti se zápornou energií. Uvnitř těchto oblastí mohly vzniknout brzy po Velkém třesku stabilní červí díry jako topologické tunely zakřiveného prostoročasu mezi jeho prostoročasově vzdálenými oblastmi.

Lorentzovské červí díry (na rozdíl od euklidovských červích děr, které Stephen Hawking, Sidney Coleman a další spojují se studiem kvantové teorie gravitace) jsou vnitřně nestabilní, pokud nejsou obklopeny nějakým vnějším gravitačním polem. Michael S. Morris, Kip S. Thorne a Ulvi Yurtsever zjistili, že tyto červí díry lze stabilizovat oblastí záporné energie, která se nachází v místě největší křivosti časoprostoru. Oblast záporné energie lze vytvořit pomocí "paralelního deskového kondenzátoru", který je tvořen dvojicí supravodivých sfér oddělených velmi malou mezerou. Tyto sféry nesou velmi silný elektrický náboj. Díky velmi malé mezeře mezi deskami vzniká tzv. Casimirova síla.

V roce 1948 byla teoreticky předpovězena ve zdánlivě prázdném vakuu existence slabé Casimirovy-Polderovy síly mezi dvojicemi elektrických vodičů. V roce 1996 byla velikost této síly poprvé experimentálně změřena.

Podle kvantové teorie po odstranění hmotných částic a tepelného záření je vakuum ještě vyplněno virtuálními páry částic a antičástic (tedy elektromagnetickými vlnami), které náhodnými fluktuacemi vznikají a zanikají. Podle Heisenbergova principu neurčitosti

dE.dt >= h/(2.pí)

je dvojice částic s klidovou hmotností m a energií mc² virtuální, jestliže doba jejich existence nepřekročí Comptonův čas úměrný h/(2pí.mc²).

Pokud takové vakuum ohraničíme dvojicí vodivých povrchů, pak uvnitř mohou existovat pouze elektromagnetické vlny, jejichž vlnová délka je kratší než je vzdálenost mezi vodivými povrchy. Vyloučení elektromagnetických vln s větší vlnovou délkou pak způsobuje existenci slabé (Casimirovy) síly mezi vodiči. Steve Lamoreaux z Los Alamos použil k měření torzní kyvadlo, horizontálně se otáčející tyč upevněnou na wolframovém vlákně. Přitažlivost mezi dvěma zlatými deskami vyvolává v tyči malou otáčivou sílu. Velikost elektrického napětí, které dostačovalo k udržení stejného úhlu otáčení tyče, umožnilo určit velikost síly způsobené přitahováním desek. Získané výsledky souhlasí s teorií s pětiprocentní chybou. (článek v Physical Review Letters.) Vědci již dříve měřili velikost Casimirovy-Polderovy síly mezi vodivou deskou a neutrálním atomem ve vakuu. [I1]

Casimirova síla souvisí s Casimirovým jevem, který vytváří oblast záporné energie potlačením elektromagnetických fluktuací vakua a snížením energie vakua na hodnotu menší než nula. John Cramer ve svém článku [X3] uvádí, že vytvoření paralelního deskového kondenzátoru kolem červí díry může být značně složitým problémem i pro hypotetickou vyspělou civilizaci. Obě supravodivé sféry musí být velmi blízko sebe a bez vnějšího zařízení musí svoji vzdálenost přesně udržovat. Rovnováha mezi přitažlivou gravitační a odpudivou elektrickou Casimirovou silou se bude udržovat velmi obtížně. Elektrické náboje obou sfér budou natolik velké, že možným cestovatelům hrozí ničivé elektrické výboje.

Jak je uvedeno výše, David Hochberg a Thomas W. Kephart objevili, že gravitace samotná může vytvářet oblasti "stlačeného vakua" se zápornou energií, v nichž mohou existovat přirozené červí díry.

Heisenbergův princip neurčitosti ukazuje, že měřitelné komutované veličiny (jako je poloha a hybnost nebo energie a čas) nelze měřit se stejnou přesností, ale že součin neurčitostí změřených hodnot musí být větší nebo roven Planckově konstantě dělený číslem 2.pí. Čím přesněji změříme jednu veličinu, tím nepřesněji můžeme změřit druhou.

Podle klasické mechaniky každý fyzikální systém, např. kmitající kyvadlo, může mít nulovou energii, při které pohyb kyvadla zcela ustane.

Podle kvantové mechaniky by se kmitající kyvadlo chovalo zcela jinak. Především by kyvadlo nemohlo zaujmout libovolnou polohu, ale pouze určitý počet "diskrétních" poloh (stavů). Změna polohy (stavu) by mohla probíhat pouze skokově, po určitých kvantech energie. Kromě toho by se kmitající kyvadlo nemohlo nikdy zastavit. Jeho nejnižší možná energie neodpovídá nulové energii, ale polovině energie nutné k dosažení následující možné polohy. Po odstranění veškeré možné energie zůstává kyvadlu tato nulová energie.

Kvantový systém si lze představit jako řadu polonezávislých kvantových oscilátorů, u nichž nulová energie představuje náhodný šum v pohybu, který zatěžuje každé měření stavu oscilátoru. Po odstranění veškeré tepelné energie systému zůstává právě tato nulová energie.

Existuje ale možnost, jak systém ještě více ochladit. Podle kvantové teorie energie a frekvence kvantového oscilátoru si vzájemně odpovídají a odlišují se pouze multiplikační konstantou (vztah E = h.f, kde E je energie, f je frekvence, h je Planckova konstanta). Komutovanou veličinou k frekvenci je fáze oscilátoru. Fázi lze obtížně měřit a obvykle se k popisu kvantových systémů složených z mnoha oscilátorů nepoužívá.

U řady kvantových systémů lze omezení přesnosti měření, které je způsobeno nulovou energií a nulovým pohybem, překonat konverzí frekvenčního šumu na fázový šum. Podle Heisenbergova principu neurčitosti tímto principem dojde ke zmenšení variací frekvence (a tím také energie). Tento princip byl úspěšně použit na paprsek světla (tzv. stlačování světla). Nedávné práce v kvantové optice, které využívají princip stlačování světla prokázaly, že dříve nepřekonatelná omezení způsobená frekvenčním šumem lze poměrně snadno překonat.

David Hochberg a Thomas W. Kephart použili tento princip stlačování nikoliv na světlo, ale na samotné vakuum. Teorie kvantové elektrodynamiky ukazuje, že vakuum ve velmi malých měřítcích není prázdné, ale vznikají v něm náhodné fluktuace, kdy se objevují a zanikají páry virtuálních částic různého druhu, které podle Heisenbergova principu neurčitosti existují pouze tak dlouho, že neporušují zákon zachování energie. Tyto kvantové fluktuace lze stlačit stejným způsobem, jako světlo nebo atomy. Výsledkem je vakuum se zápornou hustotou energie, tedy oblasti se zápornou energií, které mohou sloužit pro stabilizaci červích děr.

Hochberg a Kephart použili metodu obecné teorie relativity nazývanou Rindlerova transformace, aby ukázali, že vakuum za přítomnosti gravitačního pole se za určitý čas stlačí. Objevili, že takto vznikají v důsledku vakuových fluktuací s vlnovými délkami většími než je Schwarzschildův poloměr objektu kompaktní objekty podobné černým dírám.

Již dříve bylo ukázáno, že obecná teorie relativity připouští existenci objektů s obvyklou euklidovskou topologií, které se chovají jako reálná hmota (tedy generují gravitační pole a také na něj reagují), ale tyto objekty jsou složeny pouze z pole. Pokud se prostorem šíří například elektromagnetické vlny, tak kolem sebe generují gravitační pole a zakřivují prostoročas, který zpětně ovlivňuje šíření tohoto pole. Podle obecné teorie relativity mohou velmi silné elektromagnetické vlny kolem sebe vytvořit tak silné gravitační pole, že tímto polem budou nuceny se pohybovat po uzavřených křivkách. Elektromagnetické vlny tak kolem sebe vytvářejí gravitační "vlnovod" ze zakřivené geometrie prostoročasu, ve kterém trvale cirkulují. Takový útvar, který obsahuje pouze elektromagnetické vlny trvale udržované pohromadě gravitačním polem, se nazývá elektromagnetický geon. Geon není stabilním útvarem, ale pouze metastabilním. Část energie vln proniká přes odstředivou a gravitační bariéru a geon se buď pomalu rozplyne nebo postupně zkolabuje v černou díru. Pokud místo elektromagnetických vln se prostorem pohybují silné gravitační vlny, může podle obecné teorie relativity vzniknout gravitační geon, který se bude pochopitelně navenek projevovat jako hmotný útvar svým gravitačním účinkem. Gravitační vlny jsou ovšem fluktuacemi geometrie prázdného prostoročasu. Vnější pozorovatel tak pozoruje vlnící se křivost prázdného prostoročasu jako hmotný útvar.

Pro černou díru o hmotnosti srovnatelné s hmotností Slunce není jev stlačení vakua příliš zajímavý, protože jsou tímto jevem dotčeny pouze vlny o vlnové délce delší než 5 kilometrů (což jsou vlnové délky radiových vln). V počátečním stádiu vývoje vesmíru ale vznikal značný počet kvantových černých děr s hmotností odpovídající Planckově hmotnosti (asi 10^-8 kg). Poblíž těchto kvantových černých děr všechny vlnové délky větší než Planckova délka (kolem 10^-33 cm) mohly být stlačeny a tak ovlivněny kvantovými fluktuacemi. Takto mohly vznikat oblasti záporné energie, které mohly stabilizovat malé červí díry.

Z Hochbergovy a Kephartovy práce vyplývají dva velmi důležité důsledky. Především Lorentzovy červí díry nutně musí porušovat slabou energetickou podmínku. Slabá energetická podmínka není fyzikálním zákonem, ale podmínka platná za normálních situací. Někteří teoretikové se domnívali, že porušení slabé energetické podmínky je v rozporu z kvantovou teorií gravitace, což vylučuje existenci Lorentzových červích děr. Hochberg a Kephart ukázali, že za porušení slabé energetické podmínky může dojít ke stlačení vakua v silném gravitačním poli. V počátečních fázích vývoje vesmíru byla hustota energie vakua vysoká a během inflační fáze mohlo dojít ke vzniku červích děr, které existují dodnes. Tyto červí díry mohou spojovat nejen jednotlivé části našeho vesmíru, ale snad mohou být tunely i do jiných vesmírů.

Pokud tyto přirozené červí díry existují, jejich oddělené konce zřejmě nebudou mít stejnou historii rychlosti, zrychlení a relativistické dilatace času. Proto se budou nacházet v různých částech prostoročasu a mohou tak sloužit jako přirozené stroje času.

Výzkum kvantových černých a červích děr je na počátku. Přesto Hochberg a Kephart navrhli možný scénář vzniku přirozených červích děr, které by v budoucnu mohly posloužit pro cestování v čase.

Reference autora článku [X1]

Schwarzschildovy bílé díry

* Charles W. Misner, Kip S. Thorne, and John Archibald Wheeler, Gravitation, pp. 836-840, W. H. Freeman and Company, San Francisco (1973).

Bílé díry a stroj času

* Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever, Physical Review Letters 61, 1446 (1988).

* Michael S. Morris, and Kip S. Thorne, American Journal of Physics 56, 395 (1988).

* David Hochberg and Thomas W. Kephart, Physics Letters B 268, 377 (1991).

Literatura a odkazy:

[X1] John G. Cramer: Warmholes and Time Machines. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-33. June, 1989.

[X2] John G. Cramer: More About Warmholes - To the Stars in No Time. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-39. May, 1990.

[X3] John G. Cramer: Squeezing the Vacuum. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-53. July, 1992.

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver).PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 300 December 20, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein.

[1] Ullmann, Vojtěch: Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu. Československá astronomická společnost ČSAV, pobočka Ostrava, 1986.

[2] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia, Praha 1992. ISSN: 0528-7103