รูหนอน

"แผนภาพฝัง" ของรูหนอนชวอสเชลด์ (Schwarzschild wormhole)

รูหนอน (อังกฤษ: wormhole) เป็นที่รู้จักกันว่า ทางเชื่อมต่อ หรือ สะพานไอน์สไตน์-โรเซน (Einstein-Rosen bridge) เป็นคุณลักษณะที่มีสมมุติฐานของทอพอโลยีของปริภูมิ-เวลาที่จะเป็นพื้นฐานในการเป็น "ทางลัด" ตัดผ่านไปมาระหว่างปริภูมิ-เวลา สำหรับคำอธิบายภาพที่เรียบง่ายของรูหนอนนั้น, พิจารณาปริภูมิ-เวลาที่มองเห็นได้เป็นพื้นผิวสองมิติ (2D) ถ้าพื้นผิวนี้ถูกพับไปตามแนวแบบสามมิติจะช่วยในการวาดภาพ "สะพาน" ของรูหนอนให้เห็นได้แบบหนึ่ง (โปรดทราบในที่นี้ว่า, นี่เป็นเพียงการสร้างภาพที่ปรากฏในการถ่ายทอดโครงสร้างที่ไม่สามารถมองเห็นได้ (Unvisualisable) เป็นหลักที่มีอยู่ใน 4 มิติหรือมากกว่า, ส่วนของรูหนอนอาจจะมีความต่อเนื่องของมิติที่มีค่าสูงกว่า (Higher-dimensional analogues) สำหรับส่วนของพื้นผิวโค้ง 2 มิติ, ตัวอย่างเช่น, ปากของรูหนอนแทนที่จะเป็นปากหลุมซึ่งเป็นหลุมวงกลมในระนาบ 2 มิติ, ปากของรูหนอนจริงอาจจะเป็นทรงกลมในพื้นที่ 3 มิติ) รูหนอนคือ, ในทางทฤษฎีคล้ายกับอุโมงค์ที่มีปลายทั้งสองข้างในแต่ละจุดแยกจากกันในปริภูมิ-เวลา

ไม่มีหลักฐานการสังเกตการณ์สำหรับรูหนอน, แต่ในระดับเชิงทฤษฎีมีวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งรวมถึงรูหนอนด้วย เพราะความแข็งแรงเชิงทฤษฎีที่แข็งแกร่งของมัน, รูหนอนเป็นที่รู้จักกันว่า เป็นหนึ่งในคำเปรียบเปรยทางฟิสิกส์ที่ดีเยี่ยมสำหรับการเรียนการสอนวิชาสัมพัทธภาพทั่วไป ชนิดแรกของการแก้ปัญหารูหนอนที่ถูกค้นพบคือรูหนอนชวอสเชลด์, ซึ่งจะมีอยู่ในเมตริกชวอสเชลด์ (Schwarzschild metric) ที่อธิบายถึงหลุมดำนิรันดร์ (Eternal black hole) แต่ก็พบว่ารูหนอนประเภทนี้จะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วเกินไป สำหรับสิ่งที่จะข้ามจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกปลายด้านหนึ่ง รูหนอนซึ่งสามารถจะทำให้เป็นจริงที่สามารถเดินทางผ่านข้ามไปได้ในทั้งสองทิศทางได้นั้นเรียกว่า รูหนอนทะลุได้, ซึ่งรูหนอนชนิดนี้เท่านั้นที่จะมีความเป็นไปได้ถ้าใช้สสารประหลาด (Exotic matter) ที่มีความหนาแน่นพลังงาน (Energy density) ที่มีค่าเชิงลบที่อาจนำมาใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพของรูหนอนให้คงอยู่ได้

ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ (Casimir effect) แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสนามควอนตัมช่วยให้ความหนาแน่นของพลังงานในบางส่วนของปริภูมินั้น มีความสัมพัทธ์ในทางลบต่อพลังงานสุญญากาศสามัญ (Ordinary vacuum energy) และมันได้รับการแสดงให้เห็นได้ในทางทฤษฎีซึ่งทฤษฎีสนามควอนตัม อนุญาตให้สถานะของพลังงานสามารถมีสถานะเป็นเชิงลบได้ตามใจชอบ ณ จุดที่กำหนดให้ นักฟิสิกส์จำนวนมากเช่น สตีเฟน ฮอว์คิง, คิบ โทร์น (Kip Thorne) และคนอื่น ๆ ได้โต้แย้งว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจจะทำให้มันมีความเป็นไปได้ ที่จะรักษาเสถียรภาพของรูหนอนแบบทะลุได้นี้ นักฟิสิกส์ยังไม่พบกระบวนการทางธรรมชาติใด ๆ ที่จะได้รับการคาดว่าจะก่อให้เกิดรูหนอนตามธรรมชาติในบริบทของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้, แม้ว่าสมมติฐานโฟมควอนตัม (Quantum foam) บางครั้งจะใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่ารูหนอนขนาดเล็ก ๆ อาจจะปรากฏขึ้นและหายไปเองตามธรรมชาติโดยมาตรวัดในหน่วยวัดขนาดมาตราส่วนพลังค์ (Planck scale) สำหรับรูหนอนที่มีเสถียรภาพดังกล่าวนั้นได้รับการคาดหมายว่าน่าจะประกอบด้วยสสารมืด นอกจากนี้ยังได้รับการเสนอว่าถ้ารูหนอนขนาดจิ๋วนี้ ได้ถูกทำให้เปิดตัวออกโดยใช้เส้นคอสมิค (Cosmic string) ที่มีมวลที่มีค่าเป็นเชิงลบที่เคยปรากฏมีอยู่ในช่วงเวลาประมาณของการเกิดบิกแบง, มันก็จะได้รับการขยายขนาดให้อยู่ในระดับมหภาค (Macroscopic) หรือขนาดที่ใหญ่ได้โดยการพองตัวของจักรวาล อีกด้วย

นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกันชื่อ จอห์น อาร์ชิบัล วีลเลอร์ (John Archibald Wheeler) ได้บัญญัติศัพท์คำว่า รูหนอน ขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1957; อย่างไรก็ดี, นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน ชื่อ แฮร์มันน์ ไวล์ (Hermann Weyl) ได้เสนอทฤษฎีรูหนอนในปี ค.ศ. 1921 ในการเชื่อมต่อกับการวิเคราะห์มวลของพลังงานสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ภาพรวม

นักวิจัยไม่มีพยานหลักฐานการสังเกตการณ์สำหรับรูหนอน แต่สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีการวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องสำหรับการบรรจุรูหนอนเอาไว้ ชนิดแรกของการแก้ปัญหารูหนอนที่ได้ค้นพบคือ รูหนอนแบบชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild wormhole), ซึ่งจะมีอยู่ในเมตริกแบบชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild metric) ที่อธิบายถึงหลุมดำนิรันดร์ (eternal black hole), แต่ก็พบว่ามันจะยุบตัวเร็วเกินไปสำหรับสิ่งที่จะข้ามจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง รูหนอนที่สามารถข้ามไปมาได้ในทั้งสองทิศทางเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นรูหนอนแบบทะลุได้ (traversable wormhole)

ในการวิเคราะห์แรง ๆ หนึ่งนี้จะต้องพิจารณาสถานการณ์ ... เมื่อมีฟลักซ์สุทธิของเส้นแรง, ผ่านอะไรบางอย่างที่นักทอพอโลยี (topologist) เรียกว่า "ด้ามหูจับ" (a handle) ของปริภูมิที่ถูกเชื่อมต่ออยู่แบบพหุคูณ และอาจเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์อาจจะขอใช้คำจำกัดความแทนคำมากกว่าคำว่า "รูหนอน"

— John Wheeler in Annals of Physics

คำนิยาม

ความคิดพื้นฐานของรูหนอนภายในเอกภพก็คือว่า มันเป็นพื้นที่ที่มีขนาดกะทัดรัดของกาลอวกาศที่มีขอบเขตกระจิ๊ดริดทางด้านวิชาทอพอโลยี, แต่สิ่งที่มีอยู่ภายในไม่ได้เป็นเพียงแค่การเชื่อมต่ออย่างง่าย แนวความคิดอย่างเป็นทางการนี้จะนำไปสู่คำจำกัดความดังต่อไปนี้, เช่น การนิยามคำเรียกชื่อจากนักคณิตศาสตร์ที่ชื่อ แมตต์ วิสเซอร์ (Matt Visser) ว่าคือ "รูหนอน ลอเรนท์เซียน" (Lorentzian Wormhole)

หากปริภูมิ-เวลาแบบมินคอฟสกีประกอบด้วยขอบเขต Ω ที่มีขนาดกะทัดรัด, และถ้าทอพอโลยีของ Ω คือ รูปแบบ Ω ~ R × Σ, เมื่อ Σ เป็นสามแมนิโฟลด์ของทอพอโลยีที่ไม่เป็นศูนย์ (nontrivial topology) , ซึ่งมีขอบเขตที่มีทอพอโลยีในรูปแบบ ∂Σ ~ S ² , และถ้า, นอกจากนี้, พื้นผิวหลายมิติ (hypersurface) Σ คือ ปริภูมิเสมือน (spacelike) ทั้งหมด, ดังนั้น ขอบเขต Ω จะประกอบไปด้วยรูหนอนแบบกึ่งถาวรที่อยู่ภายในเอกภพของเรา (quasipermanent intrauniverse wormhole)

ดูเพิ่ม

• หลุมดำ
• เร็วกว่าแสง
• ดาวฤกษ์ประหลาด
• ท่อคราสนิคอฟ
• ภาวะเอกฐานของวงแหวน
• วงแหวนโรมัน
• หลุมขาว
• เอกภพ

บรรณานุกรม

• DeBenedictis, Andrew; Das, A. (2001). "On a General Class of Wormhole Geometries". Classical and Quantum Gravity. 18 (7): 1187–1204. arXiv:gr-qc/0009072. Bibcode:2001CQGra..18.1187D. doi:10.1088/0264-9381/18/7/304.
• Dzhunushaliev, Vladimir (2002). "Strings in the Einstein's paradigm of matter". Classical and Quantum Gravity. 19 (19): 4817–4824. arXiv:gr-qc/0205055. Bibcode:2002CQGra..19.4817D. doi:10.1088/0264-9381/19/19/302.
• Einstein, Albert; Rosen, Nathan (1935). "The Particle Problem in the General Theory of Relativity". Physical Review. 48: 73. Bibcode:1935PhRv...48...73E. doi:10.1103/PhysRev.48.73.
• Fuller, Robert W.; Wheeler, John A. (1962). "Causality and Multiply-Connected Space-Time". Physical Review. 128: 919. Bibcode:1962PhRv..128..919F. doi:10.1103/PhysRev.128.919.
• Garattini, Remo (2004). "How Spacetime Foam modifies the brick wall". Modern Physics Letters A. 19 (36): 2673–2682. arXiv:gr-qc/0409015. Bibcode:2004gr.qc.....9015G. doi:10.1142/S0217732304015658.
• González-Díaz, Pedro F. (1998). "Quantum time machine". Physical Review D. 58 (12): 124011. arXiv:gr-qc/9712033. Bibcode:1998PhRvD..58l4011G. doi:10.1103/PhysRevD.58.124011.
• González-Díaz, Pedro F. (1996). "Ringholes and closed timelike curves". Physical Review D. 54 (10): 6122–6131. arXiv:gr-qc/9608059. Bibcode:1996PhRvD..54.6122G. doi:10.1103/PhysRevD.54.6122.
• Khatsymosky, Vladimir M. (1997). "Towards possibility of self-maintained vacuum traversable wormhole". Physics Letters B. 399 (3–4): 215–222. arXiv:gr-qc/9612013. Bibcode:1997PhLB..399..215K. doi:10.1016/S0370-2693(97)00290-6.
• Krasnikov, Serguei (2006). "Counter example to a quantum inequality". Gravity and Cosmology. 46: 195. arXiv:gr-qc/0409007. Bibcode:2006GrCo...12..195K.
• Krasnikov, Serguei (2003). "The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts". Physical Review D. 67 (10): 104013. arXiv:gr-qc/0207057. Bibcode:2003PhRvD..67j4013K. doi:10.1103/PhysRevD.67.104013.
• Li, Li-Xin (2001). "Two Open Universes Connected by a Wormhole: Exact Solutions". Journal of Geometrical Physics. 40 (2): 154–160. arXiv:hep-th/0102143. Bibcode:2001JGP....40..154L. doi:10.1016/S0393-0440(01)00028-6.
• Morris, Michael S.; Thorne, Kip S.; Yurtsever, Ulvi (1988). "Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition". Physical Review Letters. 61 (13): 1446. Bibcode:1988PhRvL..61.1446M. doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446. PMID 10038800.
• Morris, Michael S.; Thorne, Kip S. (1988). "Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity". American Journal of Physics. 56 (5): 395–412. Bibcode:1988AmJPh..56..395M. doi:10.1119/1.15620.
• Nandi, Kamal K.; Zhang, Yuan-Zhong (2006). "A Quantum Constraint for the Physical Viability of Classical Traversable Lorentzian Wormholes". Journal of Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 9: 61–67. arXiv:gr-qc/0409053. Bibcode:2004gr.qc.....9053N.
• Ori, Amos (2005). "A new time-machine model with compact vacuum core". Physical Review Letters. 95 (2). arXiv:gr-qc/0503077. Bibcode:2005PhRvL..95b1101O. doi:10.1103/PhysRevLett.95.021101.
• Roman, Thomas, A. (2004). "Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes". arXiv:gr-qc/0409090.
• Teo, Edward (1998). "Rotating traversable wormholes". Physical Review D. 58 (2). arXiv:gr-qc/9803098. Bibcode:1998PhRvD..58b4014T. doi:10.1103/PhysRevD.58.024014.
• Visser, Matt (2002). "The quantum physics of chronology protection by Matt Visser". arXiv:gr-qc/0204022. An excellent and more concise review.
• Visser, Matt (1989). "Traversable wormholes: Some simple examples". Physical Review D. 39 (10): 3182–3184. arXiv:0809.0907. Bibcode:1989PhRvD..39.3182V. doi:10.1103/PhysRevD.39.3182.

แหล่งข้อมูลอื่น

วิกิพจนานุกรม

วิกิพจนานุกรม มีความหมายของคำว่า:
Wormhole

• วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับ รูหนอน
• What exactly is a 'wormhole'? answered by Richard F. Holman, William A. Hiscock and Matt Visser.
• Why wormholes? by Matt Visser.
• Wormholes in General Relativity by Soshichi Uchii.
• White holes and Wormholes เก็บถาวร 2011-09-27 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน provides a very good description of Schwarzschild wormholes with graphics and animations, by Andrew J. S. Hamilton.
• Questions and Answers about Wormholes a comprehensive wormhole FAQ by Enrico Rodrigo.
• Large Hadron Collider – Theory on how the collider could create a small wormhole, possibly allowing time travel into the past.
• animation that simulates traversing a wormhole
• renderings and animations of a Morris-Thorne wormhole เก็บถาวร 2011-07-19 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• N.A.S.A's current theory on wormhole creation เก็บถาวร 2013-09-24 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน