Decoupled asymmetric thin-shell wormholes

ब्रह्मांड की कल्पना केवल तारों और आकाशगंगाओं के लिए एक मंच के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसे कपड़े के रूप में करें जिसे मोड़ा, खींचा और यहाँ तक कि छिदा भी जा सकता है। सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के क्षेत्र में, जो यह सिद्धांत है कि गुरुत्वाकर्षण कैसे स्थान और समय को आकार देता है, एक 'वॉर्महोल' नामक एक सैद्धांतिक संभावना मौजूद है। इसे ब्रह्मांड के दो दूरस्थ बिंदुओं को जोड़ने वाली एक सुरंग के रूप में समझें, जो अंतरिक्ष की विशालता के बीच एक छोटा रास्ता प्रदान करती है। दशकों से, भौतिकविदों को पता है कि ऐसी सुरंग को खुला और पारगम्य रखने के लिए, एक बहुत ही अजीब प्रकार की सामग्री की आवश्यकता होगी। इस सामग्री को गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध बाहर की ओर धकेलना होगा, जो उन सामान्य नियमों को चुनौती देती है जो पदार्थ के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं, जैसे कि एक पत्थर के गिरने या एक तारे के चमकने का तरीका। यह आवश्यकता एक पहेली पैदा करती है: जबकि आइंस्टीन के समीकरणों की गणित इन सुरंगों की अनुमति देती है, लेकिन इन्हें बनाने के लिए आवश्यक भौतिक पदार्थ उन मौलिक ऊर्जा स्थितियों का उल्लंघन करता प्रतीत होता है जिनका प्रकृति हर जगह पालन करती है।

इन विलक्षण संरचनाओं का अध्ययन करने के लिए, जो असंभव में न खो जाएँ, वैज्ञानिक अक्सर 'थिन-शेल वॉर्महोल' (thin-shell wormhole) के रूप में जाने जाने वाले एक सरलीकृत मॉडल का उपयोग करते हैं। एक निरंतर, अजीब पदार्थ से सुरंग बनाने का प्रयास करने के बजाय, वे दो अलग-अलग क्षेत्रों के स्थान को काटने और उन्हें एक विशिष्ट सीमा पर आपस में जोड़ने की कल्पना करते हैं, जैसे कि कपड़े के दो टुकड़ों को सीना। जहाँ वे जुड़ते हैं, वह 'सीम' (seam) वॉर्महोल का गला (throat) होता है। यह सीम वह स्थान है जहाँ विलक्षण पदार्थ रहता है, जबकि दोनों ओर का शेष ब्रह्मांड सामान्य रहता है। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को सुरंग के वैश्विक आकार को उसे थामे रखने वाले पदार्थ के विशिष्ट गुणों से अलग करने की अनुमति देता है, जिससे एक जटिल समस्या एक प्रबंधनीय समस्या में बदल जाती है। प्रश्न यह उठता है कि क्या होगा यदि सुरंग के दोनों पक्ष एक समान नहीं हैं? क्या होगा यदि एक पक्ष एक मानक, खाली स्थान हो, और दूसरा पक्ष एक छिपी हुई शक्ति द्वारा सूक्ष्म रूप से परिवर्तित किया गया स्थान हो?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इसी परिदृश्य का अन्वेषण किया है, जहाँ उन्होंने एक ऐसा वॉर्महोल बनाया जिसके दोनों पक्ष मौलिक रूप से भिन्न हैं। एक तरफ, उन्होंने एक मानक ब्लैक होल रखा, जो अंतरिक्ष का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ से कुछ भी बचकर नहीं निकल सकता, जिसे क्लासिक 'कार्ल श्वार्ज़चाइल्ड' समीकरणों द्वारा वर्णित किया गया है। दूसरी ओर, उन्होंने उसी ब्लैक होल का एक संस्करण उपयोग किया जिसे 'ग्रेविटेशनल डिकपलिंग' (gravitational decoupling) नामक एक विशिष्ट सैद्धांतिक तकनीक द्वारा विकृत किया गया था। यह तकनीक भौतिकविदों को किसी ज्ञात समाधान के सबसे बुनियादी गुणों, जैसे कि उसका कुल द्रव्यमान या उसके पास समय के प्रवाह को बदले बिना, उसमें एक नया स्तर की जटिलता जोड़ने की अनुमति देती है। इस विशिष्ट निर्माण में, विरूपण (deformation) एक 'स्केलर फील्ड' (scalar field) के कारण हुआ था, जो विद्युत चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया करने वाला एक प्रकार का अदृश्य ऊर्जा क्षेत्र है। शोधकर्ताओं ने इस तरह के परस्पर क्रिया का एक संस्करण चुना जहाँ भौतिकी "वास्तविक" और सुव्यवस्थित बनी रही, जिससे काल्पनिक संख्याओं (imaginary numbers) जैसी गणितीय निरर्थकता से बचा जा सके। परिणाम एक ऐसी सुरंग है जहाँ दोनों प्रवेश द्वार द्रव्यमान और समय के मामले में दूर से देखने पर समान दिखते हैं, लेकिन एक प्रवेश द्वार के भीतर का स्थान दूसरे से सूक्ष्म रूप से भिन्न है।

टीम ने पाया कि यह विषमता बलों का एक आकर्षक संतुलन बनाती है। जब उन्होंने सुरंग को खुला रखने के लिए आवश्यक कुल ऊर्जा की गणना की, तो उन्हें सीम पर मौजूद विलक्षण पदार्थ और विकृत पक्ष को भरने वाली अजीब ऊर्जा के बीच एक सटीक गणितीय संबंध मिला। इन वॉर्महोल्स के मानक, सममित (symmetric) संस्करण में, विलक्षण पदार्थ हमेशा नकारात्मक होता है, जिसका अर्थ है कि यह सामान्य ऊर्जा नियमों का उल्लंघन करता है। हालाँकि, इस नए, असममित सेटअप में, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि विरूपण पर्याप्त मजबूत है, तो विकृत पक्ष से प्राप्त सकारात्मक रेडियल नल ऊर्जा (radial null energy), सीम की नकारात्मक ऊर्जा को वास्तव में रद्द कर सकती है। इसका अर्थ यह है कि जब पूरे सिस्टम को एक इकाई के रूप में देखा जाता है, तो यह सकारात्मक रेडियल नल ऊर्जा प्राप्त करता है, भले ही सीम को अभी भी विलक्षण पदार्थ की आवश्यकता होती है और स्पर्शरेखीय ऊर्जा स्थितियाँ (tangential energy conditions) खंडित रहती हैं। यह ऐसा है जैसे कि सुरंग के एक पक्ष की छिपी हुई जटिलता दूसरे पक्ष को स्थिर करने के लिए आवश्यक धक्का प्रदान करती है, जिससे विलक्षणता को समाप्त करने के बजाय उसे पुनर्वितरित किया जाता है।

इस संतुलन का वॉर्महोल की स्थिरता पर सीधा प्रभाव पड़ता है। एक वॉर्महोल तभी उपयोगी है यदि वह उस क्षण ढह न जाए जब कोई इसके माध्यम से गुजरने का प्रयास करे। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि गले (throat) की स्थिरता सीम और उसके आसपास के स्थान के बीच संवेग (momentum) के एक विशिष्ट प्रवाह पर निर्भर करती है। सममित मामले में, सुरंग अक्सर अस्थिर होती है जब तक कि सीम पर मौजूद पदार्थ बहुत विशिष्ट, अक्सर अवास्तविक तरीकों से व्यवहार न करे। लेकिन उनके असममित मॉडल में, विरूपण नियम बदल देता है। उन्होंने पाया कि वह सीमा जिसके तहत वॉर्महोल स्थिर रहता है, वास्तव में बड़ी है, और वह बिंदु जहाँ सुरंग स्थिरता से अस्थिरता की ओर संक्रमण करती है, ब्लैक होल के चारों ओर प्रकाश के सामान्य रूप से घूमने वाले क्षेत्र के केंद्र के करीब आ जाता है। हालाँकि, उन्होंने यह भी नोट किया कि यह विस्तारित स्थिर डोमेन कभी भी साधारण पदार्थ की तरह व्यवहार करने वाले पारंपरिक स्थिरता अंतराल तक नहीं पहुँचता है; यह अधिक विलक्षण प्रतिक्रियाओं तक ही सीमित रहता है। यह सुझाव देता है कि विकृत पक्ष में छिपी हुई ताकतें सुरंग को सममित मामले की तुलना में कुछ गड़बड़ियों के प्रति अधिक मजबूत बनाती हैं, लेकिन यह इसे सभी मानक स्थितियों के तहत स्थिर नहीं बनाती है।

अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या होगा यदि यह वॉर्महोल घूम रहा हो। अपने मॉडल को घूर्णन (rotation) को शामिल करने के लिए विस्तारित करके, जो वास्तविक ब्लैक होल के घूमने के समान है, वे ठीक से गणना करने में सक्षम थे कि कोणीय संवेग (angular momentum)—यानी सिस्टम का स्पिन—सीम और विकृत स्थान के बीच कैसे साझा किया जाता है। उन्होंने पाया कि सीम एक घूमते हुए तरल पदार्थ की तरह कार्य करता है, जो कुल स्पिन का एक विशिष्ट हिस्सा वहन करता है, जबकि शेष हिस्सा विकृत स्थान द्वारा वहन किया जाता है। यह वितरण निश्चित और सटीक है, जो पूरी तरह से उस विरूपण की शक्ति द्वारा निर्धारित होता है जहाँ दोनों पक्ष मिलते हैं। इसके अलावा, उन्होंने उस गुरुत्वाकर्षण तरंगों का अनुमान लगाया जो ऐसा घूमता हुआ, डगमगाता हुआ वॉर्महोल उत्सर्जित करेगा। यदि गले (throat) का झुकाव और प्रीसेशन (precession) होता है, जैसे कि एक घूमता हुआ लट्टू जो थोड़ा असंतुलित है, तो यह स्पेसटाइम में लहरें भेजेगा। इन लहरों की आवृत्ति सुरंग के द्रव्यमान और आकार पर निर्भर करेगी, लेकिन सिग्नल की शक्ति सीधे विरूपण द्वारा स्केल की जाएगी।

अंततः, यह कार्य यह सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है कि कैसे विलक्षण वस्तुएं सादे दिखते हुए भी छिपी रह सकती हैं। क्योंकि वॉर्महोल के दोनों पक्ष एक मानक ब्लैक होल के समान द्रव्यमान और समय-प्रवाह के लक्षण साझा करते हैं, इसलिए दूर से देखने वाला पर्यवेक्षक पास के तारों की कक्षाओं या प्रकाश के मुड़ने के आसपास के प्रभाव में कोई अंतर नहीं देखेगा। ऐसे ऑब्जेक्ट का पता लगाने का एकमात्र तरीका गले (throat) की गतिशीलता को देखना होगा। यदि सुरंग दोलन या प्रीसेशन करती है, तो वह विशिष्ट आवृत्तियों पर गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करेगी। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य के डिटेक्टर, जो ब्रह्मांड की इन हल्की फुसफुसाहटों को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील होते जा रहे हैं, संभावित रूप से इन संकेतों को पकड़ सकते हैं। अद्वितीय हस्ताक्षर तरंगों की आवृत्ति में परिवर्तन नहीं होगा, बल्कि उनके आयाम (amplitude) में एक विशिष्ट परिवर्तन होगा, जो छिपे हुए विरूपण द्वारा छोड़ा गया एक फिंगरप्रिंट है। यह यह परीक्षण करने का एक ठोस मार्ग प्रदान करता है कि क्या ब्रह्मांड में ये विलक्षण शॉर्टकट मौजूद हो सकते हैं, उन्हें सीधे देखकर नहीं, बल्कि यह सुनकर कि वे कैसे कंपन करते हैं।