Madonreikä (Einstein–Rosen-silta) — selitys, toiminta ja merkitys

Madonreikä on teoreettinen kulku avaruuden läpi, joka luo oikotien ajan ja avaruuden läpi. Ei tiedetä, onko niitä olemassa vai ei.

Tutkijat uskovat, että jos madonreikiä olisi olemassa, niitä ei voitaisi tehdä perinteisillä tieteellisillä menetelmillä. Jotta madonreikä pysyisi auki, tarvittaisiin jonkinlaista teoreettista eksoottista ainetta. Muuten madonreikä yksinkertaisesti katoaisi hyvin nopeasti luomisensa jälkeen. Jos madonreikä piirretään kaksiulotteiselle tasolle, se taivuttaa tasoa, ikään kuin taittaisi paperia, niin että sen kaksi päätä koskettavat toisiaan (kuten kuvassa näkyy). Termiä madonreikä käytti ensimmäisen kerran teoreettinen fyysikko John Wheeler. Se tunnetaan myös nimellä Einstein-Rosen-silta. Madonreikä on kuin tunneli, jonka kaksi päätä ovat eri pisteissä avaruusajassa. Tutkijoilla ei ole havaintotodisteita madonreiästä.

Miten madonreiät syntyvät ja miksi ne ovat epävakaita?

Madonreikien idea nousee yleisen suhteellisuusteorian matemaattisista ratkaisuista. Alun perin Einstein ja Rosen kuvasivat avaruusaikaan liittyvän rakenteen, joka näyttää sillalta kahden eri alueen välillä. Useimmat näistä ratkaisuista ovat kuitenkin niin sanottuja ei-kulkukelpoisia (non-traversable) siltoja: ne sulkeutuisivat ennen kuin mikään kappale ehtisi kulkea niiden läpi.

Kulkukelpoisen madonreiän ylläpitäminen vaatisi aineen muotoa, joka rikkoo perinteisiä energian ehtoarvoja (ns. negative energy density eli negatiivinen energiatiheys). Tätä kutsutaan usein eksoottiseksi aineeksi. Kvanttiefektit, kuten Casimir-ilmiö, voivat teoriassa tuottaa negatiivista energiaa paikallisesti, mutta nykyisen ymmärryksen mukaan saatavilla oleva määrä on liian pieni vakauttamaan maconreikää riittävästi.

Erilaiset madonreiän tyypit

• Ei-kulkukelpoiset Einstein–Rosen-sillat: syntyvät tietyistä mustien aukkojen ratkaisuryhmistä; ne ovat lyhytikäisiä ja eivät salli siirtymistä niiden läpi.
• Kulkukelpoiset madonreiät (Morris–Thorne): ajatuksena hypoteettinen ratkaisu, jossa madonreikä on pinnaltaan vakaa ja läpäisevä — tämä vaatisi eksoottista ainetta ja huomattavia pystysuoria energiamääriä.

Madonreiät ja aikamatkailu

Madonreiät kiinnostavat myös siksi, että ne tarjoavat teoreettisen tien aikamatkailuun. Kaksi yleisesti esitetyistä tavoista luoda aikasiirtymä madonreiän avulla ovat:

• kiihdyttää madonreiän toinen pää lähelle valonnopeutta ja palauttaa se lähtöpaikkaan, tai
• siirtää toinen sisäänkäynti voimakkaaseen painovoimakenttään (esimerkiksi lähelle massiivista tähteä) ja palauttaa se sitten lähelle toista sisäänkäyntiä.

Tällöin aikadilataatio aiheuttaa sen, että madonreiän siirretty pää on ulkoisen havainnoijan näkökulmasta "vanhentunut" eri verran kuin paikallaan pysyvä pää. Tämä voi johtaa tilanteisiin, joissa matka madonreiän läpi palauttaa matkustajan menneisyyteen suhteessa ulkopuoliseen aikaan — eli syntyvät suljetut aika-ajan polut (closed timelike curves).

On tärkeää selventää yksi usein väärinymmärretty kohta: vaikka ulkoisen havaitsijan mukaan madonreiän päiden kellot voivat näyttää erilaisilta liikkeen tai gravitaation takia, matka madonreiän läpi kulkevalle tarkkailijalle matka voi tuntua hyvin lyhyeltä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kellot olisivat universaalisti "synkronoituja" kaikille havainnoijille; synkronoitujen kellojen käyttäytyminen riippuu siitä, minkä suunnan kautta ja millä poluilla synkronointi on tehty.

Monet fyysikot pitävät mahdollisina paradokseja — esimerkiksi isoisoisäparadoksia — ja Stephen Hawking ehdotti ns. chronology protection conjecture -nimeä, jonka mukaan luonnon lait estäisivät aikamatkailun aiheuttavat ratkaisut. Tällöin kvanttivaikutukset tai muut mekanismit tekisivät aikasilmukoista fysikaalisesti mahdottomia.

Havaintotodisteet ja mahdolliset merkit

Tällä hetkellä ei ole luotettavaa havaintotodistetta madonreiän olemassaolosta. Tutkijat ovat kuitenkin ehdottaneet useita mahdollisia havaintokriteerejä, jos madonreikiä esiintyisi:

• epätavalliset gravitaatiolinssauksen merkit, jotka poikkeavat tavanomaisesta mustan aukon tai tähden aiheuttamasta lenssauksesta;
• grawitaatioaaltopat-ternit tai kaikuvasteet, jotka poikkeavat mustan aukon sulautumisen odotettavasta signaalista;
• energiansiirrot tai spektreihin ilmestyvät anomaliat, joita voisi selittää materiaali, joka kulkee lyhyttä reittiä madonreiän kautta.

Nykyiset mittaukset asettavat tiukkoja rajoja eksoottisen aineen ja voimakkaiden avaruusaikapoikkeamien esiintymiselle, mutta ne eivät täysin sulje pois pienempiä tai hyvin harvinaisia ilmiöitä.

Madonreiät populaarikulttuurissa

Tieteiskirjallisuudessa ja elokuvissa madonreiät ovat vakiovaruste: ne tarjoavat selkeän juonimekanismin nopeasti tähtienväliseen tai jopa universumienväliseen matkustamiseen. Fiktiossa madonreiät usein toimivat ilman niitä tieteellisiä esteitä, jotka tällä hetkellä estävät niiden rakentamisen tai ylläpidon reaalimaailmassa.

Yhteenveto

• Madonreikä on kiinnostava ja matematiikassa mahdollinen ratkaisu mutta toistaiseksi täysin teoreettinen.
• Sopivien madonreikien rakentaminen vaatisi eksoottista ainetta ja uusia fysiikan ymmärryksiä.
• Ne avaavat teoriassa mahdollisuuden aikamatkailuun, mutta tähän liittyy vakavia paradokseja ja mahdollisia suojamekanismeja, jotka estävät aikasilmukat.
• Havaintotodisteita ei ole; etsitään muun muassa gravitaatiolinssauksen ja gravitaatioaaltojen anomaliaa.

Madonreiät jäävät siten kiehtovaksi ja tutkittavaksi aiheeksi, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian, kvanttifysiikan ja filosofiaa — ja joka inspiroi niin tutkijoita kuin kirjailijoitakin.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on madonreikä?

K: Miten madonreikä syntyisi?

K: Miten se näkyy 2-ulotteisella tasolla?

K: Kuka käytti ensimmäisenä termiä "madonreikä"?

K: Mitä todisteita tutkijoilla on niiden olemassaolosta?

K: Miksi ne esiintyvät usein tieteiskirjallisissa tarinoissa?

K: Miten niitä voisi käyttää aikamatkustamiseen?

Hae kirjaimella