Speciell relativitet. Det har varit rymden som utforskare, futurister och science fictionförfattare har börjat sedan Albert Einstein först föreslog det 1905. För oss som drömmer om att människor en dag ska bli en interstellär art är detta vetenskapliga faktum som en våt filt. Lyckligtvis finns det några teoretiska begrepp som har föreslagits som indikerar att Faster-Than-Light (FTL) -resor fortfarande kan vara möjligt en dag.
Ett populärt exempel är idén om ett maskhål: en spekulativ struktur som kopplar samman två avlägsna punkter i rymdtid som skulle möjliggöra interstellär rymdfärd. Nyligen genomförde ett team av Ivy League-forskare en studie som indikerade hur ”korsbara ormhål” faktiskt kan vara en verklighet. De dåliga nyheterna är att deras resultat indikerar att dessa maskhål inte exakt är genvägar, och kan vara den kosmiska motsvarigheten till "att ta långt"!
Ursprungligen föreslog teorin om maskhål som en möjlig lösning på fältekvationerna för Einsteins teori om allmän relativitet (GR). Strax efter att Einstein publicerade teorin 1915 hittade de tyska fysikerna Karl Schwarzschild en möjlig lösning som inte bara förutspådde existensen av svarta hål utan också korridorer som förbinder dem.
Tyvärr fann Schwarzschild att alla maskhål som ansluter två svarta hål skulle kollapsa för snabbt för att någonting skulle korsa från ena änden till den andra. Det enda sättet att de kan vara genomkorsbara skulle vara om de stabiliserades av existensen av exotiska ämnen med negativ energitäthet. Daniel Jafferis, Thomas D. Cabot docent i fysik vid Harvard University, hade en annan uppgift.
När han beskrev sin analys under mötet 2019 i American Physical Society i Denver, Colorado:
”Utsikterna till korsande maskhålkonfigurationer har länge varit en källa till fascination. Jag kommer att beskriva de första exemplen som överensstämmer med en UV-kompletterbar tyngdkraftteori, utan några exotiska substanser. Konfigurationen innefattar en direkt anslutning mellan maskhålens två ändar. Jag kommer också att diskutera dess konsekvenser för kvantinformation i tyngdkraften, informationsparadoxen för svarta hålen och dess relation till kvantteleportering. ”
För denna studie undersökte Jafferis arbetet som utfördes av Einstein och Nathan Rosen 1935. För att utvidga arbetet för Schwarszchild och andra forskare som söker lösningar på GR föreslog de möjliga existenser av "broar" mellan två avlägsna punkter i rymdtid (känd som "Einstein – Rosenbroar" eller "maskhål") som teoretiskt skulle kunna göra det möjligt för materie och föremål att passera mellan dem.
År 2013 användes denna teori av teoretiska fysiker Leonard Susskind och Juan Maldacena som en möjlig upplösning för GR och "kvantförvirring". Känd som ER = EPR-antagandet, tyder denna teori på att maskhål är anledningen till att ett elementärt partikeltillstånd kan intrasslas med det för en partner, även om de separeras av miljarder ljusår.
Det var härifrån som Jafferis utvecklade sin teori och antydde att maskhål faktiskt kunde korsas av ljuspartiklar (alias fotoner). För att testa detta genomförde Jafferis en analys med hjälp av Ping Gao och Aron Wall (en Harvard doktorand respektive Stanford University forskare).
Vad de fann var att även om det teoretiskt är möjligt granljus att korsa ett maskhål, så är de inte exakt den kosmiska genvägen som vi alla hoppades på att de skulle bli. Som Jafferis förklarade i ett AIP-pressmeddelande: "Det tar längre tid att komma igenom dessa maskhål än att gå direkt, så de är inte särskilt användbara för rymdresor."
I grund och botten visade resultaten av deras analys att en direkt förbindelse mellan svarta hål är kortare än för en maskhålanslutning. Även om detta verkligen låter som dåliga nyheter för människor som är upphetsade över utsikterna för interstellära (och intergalaktiska) resor en dag, är den goda nyheten att denna teori ger en viss ny inblick i kvantmekanikens rike.
"Den verkliga importen av detta arbete är i relation till informationsproblemet med svarthål och kopplingarna mellan tyngdkraften och kvantmekaniken," sade Jafferis. ”Problemet” som han hänvisar till kallas Black Hole Information Paradox, något som astrofysiker har kämpat med sedan 1975, då Stephen Hawking upptäckte att svarta hål har en temperatur och långsamt läcker strålning (även Hawking-strålning).
Denna paradox hänför sig till hur svarta hål kan bevara all information som passerar in i dem. Även om alla ämnen som anbringats på deras yta skulle komprimeras till singularitetspunkten, skulle materiens kvanttillstånd vid tidpunkten för dess komprimering bevaras tack vare tidsutvidgningen (det fryses i tid).
Men om svarta hål tappar massa i form av strålning och så småningom förångas, kommer denna information så småningom att gå förlorad. Genom att utveckla en teori genom vilken ljus kan resa genom ett svart hål, kan denna studie representera ett sätt att lösa denna paradox. I stället för strålning från svarta hål som representerar en förlust av massenergi, kan det vara så att Hawking Radiation faktiskt kommer från en annan rymdtid.
Det kan också hjälpa forskare som försöker utveckla en teori som förenar tyngdkraften med kvantmekanik (alias kvanttyngd, eller en ”teori om allt”). Detta beror på det faktum att Jafferis använde verktyg för kvantfältteori för att postulera förekomsten av genomgångbara svarta hål, och därmed undanröja behovet av exotiska partiklar och negativ massa (som verkar vara oförenliga med kvanttyngd). Som Jafferis förklarade:
”Det ger en kausal sond av regioner som annars skulle ha varit bakom en horisont, ett fönster mot en observatørs upplevelse i en rymdtid, som är tillgänglig från utsidan. Jag tror att det kommer att lära oss djupa saker om korrespondensen mellan mätaren / tyngdkraften, kvanttyngd och till och med ett nytt sätt att formulera kvantmekanik. ”
Som alltid kan genombrott i teoretisk fysik vara ett tvåkantigt svärd, ge med ena handen och ta bort med den andra. Så medan denna studie kan ha kastat mer kallt vatten på drömmen om FTL-resor, kan det mycket väl hjälpa oss att låsa upp några av universums djupare mysterier. Vem vet? Kanske en del av den kunskapen kommer att göra det möjligt för oss att hitta en väg runt denna snubblar som kallas Special Relativity!
