Specjalna teoria względności. To zmora odkrywców kosmosu, futurystów i autorów science fiction, odkąd Albert Einstein po raz pierwszy zaproponował to w 1905 roku. Dla tych z nas, którzy marzą o tym, że ludzie kiedyś staną się gatunkiem międzygwiezdnym, ten fakt naukowy jest jak mokry koc. Na szczęście zaproponowano kilka teoretycznych koncepcji, które wskazują, że podróż Faster-Than-Light (FTL) może być nadal możliwa.
Popularnym przykładem jest idea tunelu czasoprzestrzennego: struktura spekulacyjna, która łączy dwa odległe punkty w czasoprzestrzeni, umożliwiając międzygwiezdne podróże kosmiczne. Niedawno zespół naukowców z Ivy League przeprowadził badanie, które wykazało, w jaki sposób „tunele czasoprzestrzenne” mogą być rzeczywistością. Zła wiadomość jest taka, że ich wyniki wskazują, że tunele czasoprzestrzenne nie są dokładnie skrótami i mogą być kosmicznym odpowiednikiem „pokonania długiej drogi”!
Pierwotnie teorię tuneli czasoprzestrzennych zaproponowano jako możliwe rozwiązanie równań pola teorii względności ogólnej Einsteina (GR). Krótko po tym, jak Einstein opublikował teorię w 1915 r., Niemieccy fizycy Karl Schwarzschild znaleźli możliwe rozwiązanie, które nie tylko przewiduje istnienie czarnych dziur, ale także łączących je korytarzy.
Niestety Schwarzschild odkrył, że każdy tunel czasoprzestrzenny łączący dwie czarne dziury zawaliłby się zbyt szybko, aby cokolwiek mogło przejść z jednego końca na drugi. Jedynym sposobem, w jaki mogliby być przejezdni, byłoby stabilizowanie ich przez istnienie egzotycznej materii o ujemnej gęstości energii. Daniel Jafferis, profesor fizyki Thomas D. Cabot na Uniwersytecie Harvarda, miał inne zdanie.
Jak opisał swoją analizę podczas kwietniowego spotkania American Physical Society w Denver w Kolorado w 2019 r .:
„Perspektywa konfiguracji tuneli czasoprzestrzennych od dawna jest źródłem fascynacji. Opiszę pierwsze przykłady, które są spójne z kompletną teorią grawitacji opartą na UV, nie zawierającą żadnej egzotycznej materii. Konfiguracja obejmuje bezpośrednie połączenie między dwoma końcami tunelu czasoprzestrzennego. Omówię również ich wpływ na informację kwantową w grawitacji, paradoks informacji o czarnej dziurze i jej związek z teleportacją kwantową. ”
Na potrzeby tego badania Jafferis zbadał pracę wykonaną przez Einsteina i Nathana Rosena w 1935 r. Chcąc rozwinąć pracę Schwarszchilda i innych naukowców szukających rozwiązań dla GR, zaproponowali możliwe istnienie „pomostów” między dwoma odległymi punktami w czasoprzestrzeń (znana jako „mosty Einsteina – Rosen” lub „tunele czasoprzestrzenne”), która teoretycznie mogłaby pozwolić na przepływ materii i przedmiotów między nimi.
Do 2013 roku teorię tę wykorzystali fizycy teoretyczni Leonard Susskind i Juan Maldacena jako możliwą rozdzielczość dla GR i „splątania kwantowego”. Teoria ta, znana jako hipoteza ER = EPR, sugeruje, że tunele czasoprzestrzenne powodują, że stan cząstek elementarnych może zaplątać się w stan partnera, nawet jeśli dzieli je miliard lat świetlnych.
To stąd Jafferis rozwinął swoją teorię, postulując, że tunele czasoprzestrzenne mogą faktycznie przechodzić przez lekkie cząstki (inaczej fotony). Aby to sprawdzić, Jafferis przeprowadził analizę przy pomocy Ping Gao i Arona Walla (odpowiednio absolwent Harvardu i naukowiec z Uniwersytetu Stanforda).
Odkryli, że chociaż teoretycznie możliwe jest przejście jodły przez tunel czasoprzestrzenny, nie są one dokładnie kosmicznym skrótem, na jaki wszyscy wszyscy czekaliśmy. Jak wyjaśnił Jafferis w komunikacie prasowym AIP: „Przejście przez te tunele czasoprzestrzenne zajmuje więcej czasu niż przejście bezpośrednio, więc nie są one bardzo przydatne w podróżach kosmicznych”.
Zasadniczo wyniki ich analizy wykazały, że bezpośrednie połączenie między czarnymi dziurami jest krótsze niż połączenie czasoprzestrzenne. Chociaż z pewnością brzmi to jak zła wiadomość dla ludzi, którzy są podekscytowani perspektywą podróży międzygwiezdnych (i międzygalaktycznych) pewnego dnia, dobrą wiadomością jest to, że teoria ta zapewnia nowy wgląd w sferę mechaniki kwantowej.
„Rzeczywisty import tej pracy polega na jej związku z problemem informacyjnym czarnej dziury oraz powiązaniami między grawitacją a mechaniką kwantową” - powiedział Jafferis. „Problem”, do którego się odnosi, jest znany jako paradoks informacji o czarnej dziurze, z którym astrofizycy zmagają się od 1975 r., Kiedy Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury mają temperaturę i powoli wyciekają promieniowanie (inaczej promieniowanie Hawkinga).
Ten paradoks dotyczy tego, w jaki sposób czarne dziury są w stanie zachować wszelkie informacje, które do nich docierają. Chociaż jakakolwiek materia nagromadzona na ich powierzchni byłaby ściśnięta do punktu osobliwości, stan kwantowy materii w momencie jej ściśnięcia zostałby zachowany dzięki dylatacji czasowej (zamarza w czasie).
Ale jeśli czarne dziury stracą masę w postaci promieniowania i ostatecznie wyparują, informacja ta ostatecznie zostanie utracona. Opracowując teorię, przez którą światło może przemieszczać się przez czarną dziurę, badanie to może stanowić sposób rozwiązania tego paradoksu. Zamiast promieniowania z czarnych dziur reprezentujących utratę masy i energii, może być tak, że promieniowanie Hawkinga faktycznie pochodzi z innego regionu czasoprzestrzeni.
Może to również pomóc naukowcom, którzy próbują opracować teorię jednoczącą grawitację z mechaniką kwantową (zwaną także grawitacją kwantową lub „teorią wszystkiego”). Wynika to z faktu, że Jafferis zastosował kwantowe narzędzia teorii pola do postulowania istnienia przechodzących przez nie czarnych dziur, eliminując w ten sposób potrzebę cząstek egzotycznych i masy ujemnej (które wydają się niezgodne z grawitacją kwantową). Jak wyjaśnił Jafferis:
„Daje przyczynową sondę regionów, które w innym przypadku znajdowałyby się za horyzontem, okno na doświadczenie obserwatora w czasoprzestrzeni, które jest dostępne z zewnątrz. Myślę, że nauczy nas to głębokich rzeczy na temat zgodności miernika / grawitacji, grawitacji kwantowej, a może nawet nowego sposobu formułowania mechaniki kwantowej. ”
Jak zawsze przełomami w fizyce teoretycznej może być miecz obosieczny, podający jedną ręką i zabierający drugą. Tak więc, chociaż badanie to mogło rzucić więcej zimnej wody na sen o podróży FTL, może bardzo dobrze pomóc nam odkryć niektóre z głębszych tajemnic Wszechświata. Kto wie? Być może część tej wiedzy pozwoli nam znaleźć sposób na omijanie tego potknięcia zwanego Specjalną Względnością!
