Spesiell relativitet. Det har vært romfarer, futurister og science fiction-forfattere siden Albert Einstein først foreslo det i 1905. For de av oss som drømmer om at mennesker en dag skal bli en interstellar art, er dette vitenskapelige faktum som et vått teppe. Heldigvis er det noen få teoretiske konsepter som er blitt foreslått som indikerer at raskere reise enn lys (FTL) kan fremdeles være mulig en dag.
Et populært eksempel er ideen om et ormhull: en spekulativ struktur som knytter sammen to fjerne punkter i romtiden som vil muliggjøre interstellar romfart. Nylig gjennomførte et team av Ivy League-forskere en studie som indikerte hvordan “gjennomkjørbare ormehull” faktisk kan være en realitet. Den dårlige nyheten er at resultatene deres indikerer at disse ormehullene ikke akkurat er snarveier, og kan være den kosmiske ekvivalenten av å "ta den lange veien"!
Opprinnelig ble teorien om ormehull foreslått som en mulig løsning på feltligningene i Einsteins teori om generell relativitet (GR). Rett etter at Einstein publiserte teorien i 1915, fant de tyske fysikerne Karl Schwarzschild en mulig løsning som ikke bare forutså eksistensen av sorte hull, men av korridorer som forbinder dem.
Dessverre fant Schwarzschild at et ormehull som forbinder to sorte hull, ville kollapse for raskt til at noe kunne krysse fra den ene enden til den andre. Den eneste måten de kunne være gjennomkjørbare på ville være hvis de ble stabilisert av eksistensen av eksotiske stoffer med negativ energitetthet. Daniel Jafferis, Thomas D. Cabot førsteamanuensis i fysikk ved Harvard University, hadde et annet inntrykk.
Som han beskrev sin analyse under møte i 2019 i American Physical Society i Denver, Colorado:
Utsiktene til gjennomgåelige ormehullskonfigurasjoner har lenge vært en kilde til fascinasjon. Jeg vil beskrive de første eksemplene som er konsistente i en UV-kompletterbar teori om tyngdekraften, uten eksotiske stoffer. Konfigurasjonen innebærer en direkte forbindelse mellom ormhullets to ender. Jeg vil også diskutere implikasjonene for kvanteinformasjon i tyngdekraften, informasjonsparadokset om sorte hull og dets forhold til kvanteteleportering. ”
I forbindelse med denne studien undersøkte Jafferis arbeidet som ble utført av Einstein og Nathan Rosen i 1935. Når de ønsket å utvide arbeidet til Schwarszchild og andre forskere som søkte løsninger på GR, foreslo de mulige eksistens av "broer" mellom to fjerne punkter i romtid (kjent som “Einstein – Rosen broer” eller “ormehull”) som teoretisk sett kunne gi rom for materie og gjenstander mellom dem.
I 2013 ble denne teorien brukt av teoretiske fysikere Leonard Susskind og Juan Maldacena som en mulig oppløsning for GR og “kvanteforviklinger”. Denne teorien er kjent som ER = EPR-antagelsen, og antyder at ormhull er grunnen til at en elementær partikeltilstand kan vikles sammen med partneren, selv om de er atskilt av milliarder lysår.
Det var herfra som Jafferis utviklet teorien sin, idet han postulerte at ormehull faktisk kunne krysses av lette partikler (aka. Fotoner). For å teste dette gjennomførte Jafferis en analyse med hjelp av Ping Gao og Aron Wall (henholdsvis en Harvard-forsker- og Stanford University forsker).
Det de fant var at selv om det teoretisk er mulig granlys å krysse et ormhull, er de ikke akkurat den kosmiske snarveien vi alle håpet på at de skulle være. Som Jafferis forklarte i en pressemelding fra AIP: "Det tar lengre tid å komme gjennom disse ormehullene enn å gå direkte, så de er lite nyttige for romfart."
I utgangspunktet viste resultatene fra analysen at en direkte forbindelse mellom sorte hull er kortere enn den for en ormhullforbindelse. Selv om dette absolutt høres ut som dårlige nyheter for folk som er begeistret for utsiktene til interstellare (og intergalaktiske) reiser en dag, er den gode nyheten at denne teorien gir en viss ny innsikt i kvantemekanikkens rike.
"Den virkelige importen av dette arbeidet er i forhold til informasjonsproblemet med sorte hull og forbindelsene mellom tyngdekraft og kvantemekanikk," sa Jafferis. “Problemet” han refererer til er kjent som Black Hole Information Paradox, noe astrofysikere har slitt med siden 1975, da Stephen Hawking oppdaget at sorte hull har en temperatur og sakte lekker ut stråling (også Hawking-stråling).
Dette paradokset forholder seg til hvordan sorte hull er i stand til å bevare all informasjon som går inn i dem. Selv om ethvert materiale som er tilskrevet på overflaten deres ville komprimeres til singularitetspunktet, ville materiens kvantetilstand på tidspunktet for dens komprimering bevares takket være tidsutvidelse (det blir frosset i tid).
Men hvis sorte hull mister masse i form av stråling og til slutt fordamper, vil denne informasjonen til slutt gå tapt. Ved å utvikle en teori som lys kan reise gjennom et svart hull, kan denne studien representere et middel til å løse dette paradokset. I stedet for stråling fra svarte hull som representerer tap av masseenergi, kan det være at Hawking Radiation faktisk kommer fra et annet område i romtiden.
Det kan også hjelpe forskere som prøver å utvikle en teori som forener tyngdekraften med kvantemekanikken (også kvisumtyngdekraften, eller en “teori om alt”). Dette skyldes det faktum at Jafferis brukte verktøy for kvantefeltteori for å postulere eksistensen av traversable sorte hull, og på den måten fjerne unna behovet for eksotiske partikler og negativ masse (som virker i strid med kvantetyngdekraften). Som Jafferis forklarte:
“Det gir en kausal sonde av regioner som ellers ville vært bak en horisont, et vindu til opplevelsen av en observatør i en romtid, som er tilgjengelig utenfra. Jeg tror det vil lære oss dype ting om korrespondanse mellom måler / tyngdekraft, kvantetyngdekraft og til og med kanskje en ny måte å formulere kvantemekanikk på.
Som alltid kan gjennombrudd i teoretisk fysikk være et tveegget sverd, gi med den ene hånden og ta bort med den andre. Så selv om denne studien kan ha kastet mer kaldt vann på drømmen om FTL-reise, kan det godt hjelpe oss å låse opp noen av universets dypere mysterier. Hvem vet? Kanskje noe av den kunnskapen vil tillate oss å finne en vei rundt denne snublesteinen kjent som spesiell relativitet!
