Tunel czasoprzestrzenny (ang. wormhole) - początkowo też nazywany most Einsteina - Rosena - to hipotetyczna właściwość topologiczna czasoprzestrzeni będąca rodzajem "skrótu" pomiędzy co najmniej dwoma obszarami wszechświata lub rodzajem mostu łączącego wszechświaty. Tunele czasoprzestrzenne są przedmiotem poszukiwań i sporów współczesnych fizyków. Nie zanotowano dotąd żadnych obserwacyjnych wskazówek na ich istnienie, choć ogólna teoria względności Alberta Einsteina dopuszcza istnienie tuneli w niektórych modelach czasoprzestrzeni. Pytanie czy tunele czasoprzestrzenne mogłyby istnieć rzeczywiście w realnych warunkach należy do nadal nierozwiązanych problemów fizyki.
Tunele czasoprzestrzenne umożliwiałyby podróż do odległych regionów wszechświata we względnie krótkim czasie, szybciej niż dotarłoby tam światło, jednak - co jest ich wyróżniającą zaletą - bez konieczności przekroczenia prędkości światła dla podróżującego.
Ponieważ tunele łączą ze sobą regiony czasoprzestrzeni, umożliwiałyby one nie tylko podróż do odległych regionów, lecz również podróżowanie w czasie.
Obecne wyliczenia wskazują na to, iż nawet gdyby tunele czasoprzestrzenne istniały, to byłyby one zbyt niestabilne by cokolwiek (włącznie z energią) przez nie przesłać. Systematycznie pojawiają się tu jednak nowe hipotezy negujące starsze. Ostateczną odpowiedź mogłaby przynieść dopiero teoria kwantowej grawitacji jednocząca teorię względności z mechaniką kwantową.
Schemat tunelu czasoprzestrzennego - czasoprzestrzeń została przedstawiona jako dwuwymiarowa folia. Droga przez tunel jest krótsza, niż zwykła droga przez czasoprzestrzeń, dlatego można dotrzeć z A do B nawet szybciej od promienia światła
Według Colemana i Korte pomysł tunelu czasoprzestrzennego został wprowadzony w 1921 roku przez Hermanna Weyla podczas jego badań nad masą w polu elektromagnetycznym. Jedna z pierwszych prac wskazująca na możliwość istnienia tuneli pod kątem teorii względności to opublikowany w 1935 roku most Einsteina-Rosena. Albert Einstein i Nathan Rosen wspólnie odkryli, że połączenie modelu czarnej dziury z modelem tzw. białej dziury, za które wówczas uważano kwazary prowadzi do powstania rodzaju tunelu w czasoprzestrzeni. Jako, że był to jedyny znany tunel jego nazwa przez długi czas określała wszystkie tunele. Wiele wkładu nad badaniami tuneli włożyli amerykańscy fizycy John Wheeler i Robert Fuller w latach 60., którzy udowodnili m.in., że mosty Einsteina-Rosena są niestabilne i zapadłyby się same w sobie, zanim cokolwiek mogłoby je przemierzyć. Angielska nazwa tuneli Wormhole (dziurka robaka) została wprowadzona w 1957 roku Johna Wheelera, jako analogia do robaczka na powierzchni jabłka, który drąży sobie dziurkę by przedostać się na drugą stronę. Bardziej praktyczny termin spacetime - shortcut (skrót czasoprzestrzenny) został zaproponowany przez Sergieja Krasnikova dla tuneli umożliwiających przesyłanie materii i energii.
Tunele czasoprzestrzenne łączące regiony tego samego wszechświata to mały obszar czasoprzestrzeni, którego brzegi są topologicznie zwyczajne, lecz której środek nie jest zwyczajnie połączony. Na grafice przedstawiono to schematycznie.
Graficzna definicja tunelu (prawa strona) i porównanie do zwyczajnej czasoprzestrzeni (lewa strona), która ulega zakrzywieniu, np. wokół gwiazd i planet, ale pozostaje ciągła.
Formalna definicja wynikająca z tego opisu przedstawia się według Matta Vissera następująco:
Jeżeli czasoprzestrzeń Minkowskiego zawiera spójny obszar Ω i topologia Ω ma postać Ω ~ R x Σ, którego brzeg ma topologię w postaci dΣ ~ S², gdzie Σ jest nietrywialną trójwymiarową rozmaitością topologiczną oraz jeżeli dodatkowo hiperpowierzchnię Σ są przestrzenne, wtedy region Ω zwiera połowicznie stabilny tunel czasoprzestrzenny znajdujący się wewnątrz wszechświata.
Zdefiniowane tuneli czasoprzestrzennych łączących różne wszechświaty może być znacznie trudniejsze.
Klasyfikacja
Ze względu na połączenie wyróżnia się tunele czasoprzestrzenne:
- Wewnętrzne (ang. Intra - wormholes) - łączące miejsca lub czasy i miejsca tego samego wszechświata
- Zewnętrzne (ang. Inter - wormholes) - łączące ze sobą miejsca i czasy różnych wszechświatów. Spekuluje się, że dzięki takim tunelom można by przedostać się do wszechświatów równoległych (wieloświaty).
Ze względu na model obliczeniowy:
- Tunele lorenzowskie (ang. lorenzian) - analizowane głównie pod kątem teorii względności oraz klasycznej grawitacji
- Tunele euklidesowe (ang. euclidian) - analizowane przeważnie pod kątem fizyki cząsteczek (mikroskopijny tunel czasoprzestrzenny)
Ze względu na właściwości:
- Tunele przenikalne (ang. traversable) - umożliwiające przesłanie przez nie materii lub co najmniej energii, dziś znane modele są na ogół odmianą tuneli lorenzowskich
- Tunele nieprzenikalne (ang. non-traversable) - nie jest możliwe przesłanie materii, energii lub informacji. Przykładem takiego tunelu jest most Einsteina - Rosena
Most Einsteina-Rosena (ang. Einstein-Rosen-bridge)
Zwany również Tunelem Schwarzschilda to odmiana tunelu czasoprzestrzennego odkryta teoretycznie w 1935 roku przez Alberta Einsteina i Nathana Rosena w ramach badań teorii względności. Nazwą tą określano początkowo wszystkie modele tuneli czasoprzestrzennych, aż w miarę teoretycznego odkrywania tuneli o innych cechach w literaturze angielskojęzycznej przyjęła się nazwa wormhole. Dziś określenie mostu Einsteina-Rosena stosuje się tylko do pierwotnego modelu odkrytego w 1935 roku. Choć teoria względności dopuszcza tunele czasoprzestrzenne jak most Einsteina-Rosena, to nie ma pewności co do tego, czy rzeczywiście mogłyby one istnieć w realnych warunkach fizycznych.
Teoria względności opisuje czas i przestrzeń jako elastyczne i połączone w jedność. Most Einsteina-Rosena powstaje przy połączeniu modelu obliczeniowego czarnej dziury - obszaru czasoprzestrzeni, z granicą, za którą nie ma możliwości powrotnego wyjścia - z modelem jej czasoprzestrzennego przeciwieństwa - białej dziury, z granicą, za którą nic nie może się przedostać. Przez połączenie modeli powstaje rodzaj skrótu w czasoprzestrzeni - tunelu mogącego łączyć odległe regiony kosmosu. W latach 30. podejrzewano, iż odległe mocno świecące obiekty o nazwie kwazary to w rzeczywistości białe dziury. Hipoteza zakładała, iż czarne dziury wsysają do siebie wszystko ze swojego otoczenia a białe dziury wyrzucają całą tę materię w odległym miejscu w kosmosie. Jednak w 1962 roku fizycy John Wheeler i Robert Fuller udowodnili, iż mosty są bardzo niestabilne i nic, nawet światło, nie mogłoby się przez nie przedostać, gdyż zamknęłyby się one zanim do tego dojdzie.
Odmiana tunelu czasoprzestrzennego postulowana w 1988 roku przez Kipa Thornea i wówczas jego studenta Mike'a Morrisa. Tunel powstał w oparciu o most Einsteina-Rosena zmodyfikowany tak, by można było przesłać przez niego energię i materię. By powstrzymać czasoprzestrzeń tunelu przed zapadnięciem się Thorne i Morris postanowili ustabilizować ją tzw. egzotyczną materią (efekt Casimira) posiadającą ujemną energię.
Schemat tunelu czasoprzestrzennego Morrisa - Thornea
misdociekliwy