Οι σκουληκότρυπες συχνά οραματίζονται ως σήραγγες στο χώρο ή στο χρόνο – συντομεύσεις σε όλο το σύμπαν. Αλλά αυτή η εικόνα βασίζεται σε μια παρανόηση του έργου των φυσικών Άλμπερτ Αϊνστάιν και Νέιθαν Ρόζεν.
Το 1935, ενώ μελετούσαν τη συμπεριφορά των σωματιδίων στην περιοχή της ακραίας βαρύτητας, ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν Αυτό που λένε «γέφυρες».: μια μαθηματική σύνδεση μεταξύ δύο απόλυτα συμμετρικών αντιγράφων του χωροχρόνου. Δεν προοριζόταν ως πέρασμα για ταξίδια, αλλά ως μέσο Διατηρήστε τη συνέχεια Μεταξύ βαρύτητας και κβαντικής φυσικής. Μόνο αργότερα οι γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν συνδέθηκαν με σκουληκότρυπες, αν και η αρχική ιδέα είχε ελάχιστη σχέση με αυτό.
Αλλά μέσα Νέα έρευναΟι συνάδελφοί μου και εγώ δείχνουμε ότι η αρχική γέφυρα Einstein-Rosen δείχνει κάτι πολύ πιο περίεργο – και πιο θεμελιώδες – από μια σκουληκότρυπα.
Το παζλ που έθεσαν ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν δεν αφορούσε ποτέ τα διαστημικά ταξίδια, αλλά το πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά πεδία στον καμπύλο χωροχρόνο. Με αυτόν τον τρόπο, η γέφυρα Einstein-Rosen λειτουργεί ως καθρέφτης του χωροχρόνου: μια σύνδεση μεταξύ δύο μικροσκοπικών βελών του χρόνου.
Η κβαντομηχανική διέπει τη φύση στις μικρότερες κλίμακες, όπως τα σωματίδια, ενώ η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν ισχύει για τη βαρύτητα και τον χωροχρόνο. Η συμφιλίωση των δύο είναι μια από τις βαθύτερες προκλήσεις στη φυσική. Και είναι συναρπαστικό, η επανερμηνεία μας μπορεί να προσφέρει έναν τρόπο να γίνει ακριβώς αυτό.
Μια παρεξήγηση κληρονομιά
Η εξήγηση της «σκουληκότρυπας» προέκυψε δεκαετίες μετά το έργο του Αϊνστάιν και του Ρόζεν, όταν οι φυσικοί υπέθεσαν τη διέλευση από τη μια πλευρά του χωροχρόνου στην άλλη. Πιο αξιοσημείωτη έρευνα στα τέλη της δεκαετίας του 1980.
Αλλά αυτές οι ίδιες αναλύσεις κατέστησαν επίσης σαφές πόσο εικαστική ήταν η ιδέα: στη γενική σχετικότητα, τέτοια ταξίδια απαγορεύονται. Η γέφυρα γκρεμίζεται με την ταχύτητα του φωτός, δεν μπορεί να διασχιστεί. Οι γέφυρες Einstein-Rosen είναι επομένως ασταθείς και παρατηρήσιμες – μαθηματικές δομές, όχι πύλες.
Ωστόσο, η μεταφορά της σκουληκότρυπας άκμασε στη λαϊκή κουλτούρα και τη θεωρητική θεωρητική φυσική. Η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συνδέουν μακρινές περιοχές του σύμπαντος -ακόμα και να λειτουργούν ως χρονομηχανές- έχει εμπνεύσει αμέτρητα χαρτιά, βιβλία και ταινίες.
Ωστόσο, δεν υπάρχουν παρατηρητικές αποδείξεις για μακροσκοπικές σκουληκότρυπες, ούτε κάποιος επιτακτικός θεωρητικός λόγος να τις περιμένουμε στη θεωρία του Αϊνστάιν. Αν και υποθετικές προεκτάσεις της φυσικής — π.χ Εξωτερική μορφή ύλης ή Τροποποίηση της γενικής σχετικότητας — που προτείνονται για την υποστήριξη τέτοιων δομών δεν έχουν δοκιμαστεί και είναι άκρως κερδοσκοπικές.
Δύο βέλη του χρόνου
Η πρόσφατη εργασία μας επανεξετάζει το παζλ της γέφυρας Einstein-Rosen χρησιμοποιώντας μια σύγχρονη κβαντική ερμηνεία του χρόνου που βασίζεται σε ιδέες που αναπτύχθηκαν από τους Shravan Kumar και Joao Marto.
Οι περισσότεροι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής δεν κάνουν διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος ή μεταξύ αριστερού και δεξιού. Εάν ο χρόνος ή ο χώρος αντιστραφούν στις εξισώσεις τους, οι νόμοι παραμένουν έγκυροι. Η λήψη σοβαρά υπόψη αυτών των συμμετριών οδηγεί σε μια διαφορετική ερμηνεία της γέφυρας Αϊνστάιν-Ρόζεν.
Αντί για μια σήραγγα στο διάστημα, νοείται ως δύο συμπληρωματικά συστατικά μιας κβαντικής κατάστασης. Σε ένα, ο χρόνος προχωρά μπροστά. Σε ένα άλλο, ρέει πίσω από τη θέση που αντανακλάται στον καθρέφτη.
Αυτή η συμμετρία δεν είναι μια φιλοσοφική επιλογή. Μόλις αποκλειστεί το άπειρο, η κβαντική εξέλιξη πρέπει να είναι πλήρης και αναστρέψιμη σε μικροσκοπικό επίπεδο – ακόμη και παρουσία της βαρύτητας.
Το “Bridge” εκφράζει το γεγονός ότι και τα δύο χρονικά στοιχεία χρειάζονται για να περιγραφεί ένα πλήρες φυσικό σύστημα. Υπό κανονικές συνθήκες, οι φυσικοί επιλέγουν ένα μόνο βέλος του χρόνου και αγνοούν τη συνιστώσα της χρονικής αντιστροφής.
Αλλά κοντά σε μαύρες τρύπες ή σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται και καταρρέει, μια συνεπής κβαντική περιγραφή πρέπει να περιλαμβάνει και τις δύο όψεις. Εδώ σχηματίζεται φυσικά η γέφυρα Einstein-Rosen.
Επίλυση του Παράδοξου της Πληροφορίας
Σε μικροσκοπικό επίπεδο, η γέφυρα μας επιτρέπει να διασταυρώνουμε πληροφορίες που μας φαίνονται ως ο ορίζοντας γεγονότων – ένα σημείο χωρίς επιστροφή. Τα δεδομένα δεν χάνονται. Συνεχίζει να εξελίσσεται αλλά στην αντίθετη κατεύθυνση, αντικατοπτρίζει τη χρονική κατεύθυνση.
Αυτό το πλαίσιο προσφέρει μια φυσική ανάλυση του περίφημου παραδόξου πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα. Το 1974, ο Στίβεν Χόκινγκ έδειξε Οι μαύρες τρύπες που ακτινοβολούν θερμότητα και μπορούν τελικά να εξατμιστούν, προφανώς διαγράφουν όλες τις πληροφορίες σχετικά με το τι έπεσε σε αυτές—σε αντίθεση με την κβαντική αρχή ότι η εξέλιξη πρέπει να διατηρεί τις πληροφορίες.
Το παράδοξο προκύπτει μόνο όταν επιμένουμε να περιγράψουμε τον ορίζοντα χρησιμοποιώντας ένα μόνο, μονόπλευρο βέλος του χρόνου που προεκτείνεται στο άπειρο – μια υπόθεση που δεν απαιτείται από την ίδια την κβαντική μηχανική.
Εάν η πλήρης κβαντική περιγραφή περιλαμβάνει και τις δύο χρονικές κατευθύνσεις, τίποτα δεν χάνεται πραγματικά. Οι πληροφορίες φεύγουν από την κατεύθυνση του χρόνου μας και επανεμφανίζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η πληρότητα και η αιτιότητα διατηρούνται, χωρίς επίκληση ξένης νέας φυσικής.
Αυτές οι έννοιες είναι δύσκολο να κατανοηθούν γιατί είμαστε μακροσκοπικά όντα που βιώνουμε μόνο μια διάσταση του χρόνου. Σε καθημερινή κλίμακα, η διαταραχή —ή η εντροπία— αυξάνεται. Μια πολύ τακτοποιημένη κατάσταση εξελίσσεται φυσικά σε αταξία, ποτέ το αντίστροφο. Μας δίνει ένα βέλος στο χρόνο.
Αλλά η κβαντομηχανική επιτρέπει πιο λεπτή συμπεριφορά. Παραδόξως, τα στοιχεία αυτής της κρυφής δομής μπορεί να υπάρχουν ήδη. Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων – η υστεροφημία του Big Bang – δείχνει μια μικρή αλλά επίμονη ανισότητα: προτίμηση για χωρικό προσανατολισμό έναντι της κατοπτρικής του εικόνας
Αυτή η ανωμαλία προβληματίζει τους κοσμολόγους εδώ και δύο δεκαετίες. Τα τυπικά μοντέλα αποδίδουν σε αυτό μια πολύ χαμηλή πιθανότητα — εκτός εάν περιλαμβάνονται κατοπτρικά κβαντικά στοιχεία.
Ηχώ του προηγούμενου σύμπαντος;
Αυτή η εικόνα συνδέεται φυσικά με μια βαθύτερη πιθανότητα. Αυτό που ονομάζουμε «Μεγάλη Έκρηξη» μπορεί να μην ήταν μια απόλυτη αρχή, αλλά μια αναπήδηση — μια κβαντική μετάβαση μεταξύ δύο χρονικά αντιστρεπτών φάσεων της κοσμικής εξέλιξης.
Σε ένα τέτοιο σενάριο, οι μαύρες τρύπες μπορούν να λειτουργήσουν ως γέφυρες όχι μόνο μεταξύ χρονικών κατευθύνσεων, αλλά και μεταξύ διαφορετικών κοσμικών εποχών. το σύμπαν μας Το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας μπορεί να είναι Το άλλο, που σχηματίζεται στο γονικό σύμπαν. Μπορεί να σχηματίστηκε καθώς μια κλειστή περιοχή του χωροχρόνου κατέρρευσε, αναπήδησε και άρχισε να επεκτείνεται στο σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα.
Εάν αυτή η εικόνα είναι σωστή, παρέχει επίσης ένα μέσο λήψης αποφάσεων παρατήρησης Τα υπολείμματα της φάσης πριν από την αναπήδηση – όπως μικρές μαύρες τρύπες – μπορεί να επιβιώσουν από τη μετάβαση και να αναδυθούν ξανά στο διαστελλόμενο σύμπαν μας. Κάποια αόρατη ύλη που αποκαλούμε σκοτεινή ύλη μπορεί στην πραγματικότητα να αποτελείται από τέτοια υπολείμματα.
Σύμφωνα με αυτή την άποψη, η Μεγάλη Έκρηξη εξελίχθηκε από μια προηγούμενη κατάσταση συμπίεσης. Οι σκουληκότρυπες δεν είναι απαραίτητες: η γέφυρα είναι χρονική, όχι χωρική — και το Big Bang γίνεται είσοδος, όχι αρχή.
Αυτή η επανερμηνεία της γέφυρας Αϊνστάιν-Ρόζεν δεν προσφέρει συντομεύσεις στον γαλαξία, ταξίδι στο χρόνο και σκουληκότρυπες επιστημονικής φαντασίας ή υπερδιάστημα. Αυτό που προσφέρει είναι βαθύτερο. Αυτό προσφέρει μια συνεπή κβαντική εικόνα της βαρύτητας όπου ο χωροχρόνος ενσωματώνει μια ισορροπία μεταξύ των αντιθέτων του χρόνου – και όπου το σύμπαν μας μπορεί να είχε ιστορία πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Δεν ανατρέπει τη σχετικότητα ή την κβαντική φυσική του Αϊνστάιν – τα ολοκληρώνει. Η επόμενη επανάσταση στη φυσική μπορεί να μην μας πάει πιο γρήγορα από το φως — αλλά μπορεί να αποκαλύψει ότι ο χρόνος, βαθιά στον μικροσκοπικό κόσμο και σε ένα σύμπαν που αναπηδά, ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις.
