รูหนอน

รูหนอน  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) รูหนอนในทางทฤษฎีคล้ายกับอุโมงค์ที่มีปลายทั้งสองข้างในแต่ละจุดแยกจากกันในปริภูมิ-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)
<templatestyles src="แม่แบบ:คำพูด/style.css" />ในการวิเคราะห์แรง ๆ หนึ่งนี้จะต้องพิจารณาสถานการณ์ ... เมื่อมีฟลักซ์สุทธิของเส้นแรง ผ่านอะไรบางอย่างที่นักทอพอโลยี (topologist) เรียกว่า "ด้ามหูจับ" (a handle) ของปริภูมิที่ถูกเชื่อมต่ออยู่แบบพหุคูณ และอาจเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์อาจจะขอใช้คำจำกัดความแทนคำมากกว่าคำว่า "รูหนอน"
คำนิยาม.
ความคิดพื้นฐานของรูหนอนภายในเอกภพก็คือว่า มันเป็นพื้นที่ที่มีขนาดกะทัดรัดของกาลอวกาศที่มีขอบเขตกระจิ๊ดริดทางด้านวิชาทอพอโลยี แต่สิ่งที่มีอยู่ภายในไม่ได้เป็นเพียงแค่การเชื่อมต่ออย่างง่าย แนวความคิดอย่างเป็นทางการนี้จะนำไปสู่คำจำกัดความดังต่อไปนี้ เช่น การนิยามคำเรียกชื่อจากนักคณิตศาสตร์ที่ชื่อ แมตต์ วิสเซอร์ (Matt Visser) ว่าคือ "รูหนอน ลอเรนท์เซียน" (Lorentzian Wormhole)
<templatestyles src="แม่แบบ:คำพูด/style.css" />หากปริภูมิ-เวลาแบบมินคอฟสกีประกอบด้วยขอบเขต Ω ที่มีขนาดกะทัดรัด, และถ้าทอพอโลยีของ Ω คือ รูปแบบ Ω ~ R × Σ, เมื่อ Σ เป็นสามแมนิโฟลด์ของทอพอโลยีที่ไม่เป็นศูนย์ (nontrivial topology) ซึ่งมีขอบเขตที่มีทอพอโลยีในรูปแบบ ∂Σ ~ S 2 และนอกจากนี้ พื้นผิวหลายมิติ  Σ คือ ปริภูมิเสมือน (spacelike) ทั้งหมด ดังนั้น ขอบเขต Ω จะประกอบไปด้วยรูหนอนแบบกึ่งถาวรที่อยู่ภายในเอกภพของเรา (quasipermanent intrauniverse wormhole)