Ειδική σχετικότητα. Ήταν ο όγκος των εξερευνητών του διαστήματος, των φουτουριστών και των συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας από τότε που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το πρότεινε για πρώτη φορά το 1905. Για όσους από εμάς ονειρευόμαστε ότι οι άνθρωποι μια μέρα θα γίνουν ένα διαστρικό είδος, αυτό το επιστημονικό γεγονός είναι σαν μια υγρή κουβέρτα. Ευτυχώς, υπάρχουν μερικές θεωρητικές έννοιες που έχουν προταθεί που δείχνουν ότι τα ταξίδια Faster-Than-Light (FTL) θα μπορούσαν να είναι πιθανά κάποια μέρα.
Ένα δημοφιλές παράδειγμα είναι η ιδέα μιας σκουληκότρυπας: μια κερδοσκοπική δομή που συνδέει δύο μακρινά σημεία στο διάστημα που θα επέτρεπαν το διαστημικό ταξίδι στο διάστημα. Πρόσφατα, μια ομάδα επιστημόνων της Ivy League διεξήγαγε μια μελέτη που έδειξε πώς «διασχίζοντας σκουληκότρυπες» θα μπορούσε πραγματικά να είναι πραγματικότητα. Τα κακά νέα είναι ότι τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι αυτές οι σκουληκότρυπες δεν είναι ακριβώς συντομεύσεις και θα μπορούσαν να είναι το κοσμικό ισοδύναμο του «να πάρει το δρόμο»!
Αρχικά, η θεωρία των σκουληκιών προτάθηκε ως πιθανή λύση στις εξισώσεις πεδίου της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν (GR). Λίγο μετά τη δημοσίευση της θεωρίας από τον Αϊνστάιν το 1915, οι Γερμανοί φυσικοί Karl Schwarzschild βρήκαν μια πιθανή λύση που όχι μόνο προέβλεπε την ύπαρξη μαύρων οπών, αλλά και διαδρόμων που τις συνδέουν.
Δυστυχώς, ο Schwarzschild διαπίστωσε ότι κάθε σκουληκότρυπα που συνδέει δύο μαύρες τρύπες θα καταρρεύσει πολύ γρήγορα για να περάσει οτιδήποτε από το ένα άκρο στο άλλο. Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαν να είναι διασταυρούμενοι θα ήταν αν σταθεροποιήθηκαν από την ύπαρξη εξωτικής ύλης με αρνητική ενεργειακή πυκνότητα. Ο Daniel Jafferis, ο Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής του Thomas D. Cabot στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, είχε διαφορετική αντίληψη.
Όπως περιέγραψε την ανάλυσή του κατά τη συνάντηση της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας του Απριλίου 2019 στο Ντένβερ, Κολοράντο:
«Η προοπτική διασταυρούμενων διαμορφώσεων σκουληκότρυπας υπήρξε εδώ και καιρό πηγή γοητείας. Θα περιγράψω τα πρώτα παραδείγματα που είναι συνεπή σε μια ολοκληρωμένη θεωρία βαρύτητας με υπεριώδη ακτινοβολία, που δεν περιλαμβάνει εξωτική ύλη. Η διαμόρφωση περιλαμβάνει μια άμεση σύνδεση μεταξύ των δύο άκρων της σκουληκότρυπας. Θα συζητήσω επίσης τις επιπτώσεις της στην κβαντική πληροφορία στη βαρύτητα, το παράδοξο πληροφοριών της μαύρης τρύπας και τη σχέση της με την κβαντική τηλεμεταφορά. "
Για τους σκοπούς αυτής της μελέτης, ο Jafferis εξέτασε το έργο που επιτέλεσαν οι Einstein και Nathan Rosen το 1935. Προσπαθώντας να επεκτείνει το έργο του Schwarszchild και άλλων επιστημόνων που αναζητούν λύσεις στο GR, πρότειναν την πιθανή ύπαρξη «γεφυρών» μεταξύ δύο απομακρυσμένων σημείων χωροχρόνος (γνωστός ως «γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν» ή «σκουληκότρυπες») που θα μπορούσαν θεωρητικά να επιτρέψουν τη διέλευση ύλης και αντικειμένων μεταξύ τους.
Μέχρι το 2013, αυτή η θεωρία χρησιμοποιήθηκε από τους θεωρητικούς φυσικούς Leonard Susskind και Juan Maldacena ως πιθανή λύση για το GR και την «κβαντική εμπλοκή». Γνωστή ως εικασία ER = EPR, αυτή η θεωρία υποδηλώνει ότι οι σκουληκότρυπες είναι γιατί μια κατάσταση στοιχειωδών σωματιδίων μπορεί να εμπλακεί με αυτήν ενός συντρόφου, ακόμα κι αν διαχωρίζονται από δισεκατομμύρια έτη φωτός.
Από εδώ ο Jafferis ανέπτυξε τη θεωρία του, υποστηρίζοντας ότι οι σκουληκότρυπες θα μπορούσαν στην πραγματικότητα να διασχίζονται από σωματίδια φωτός (γνωστά και ως φωτόνια). Για να το δοκιμάσει αυτό, ο Jafferis διεξήγαγε μια ανάλυση με τη βοήθεια των Ping Gao και Aron Wall (απόφοιτος φοιτητής του Χάρβαρντ και ερευνητής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ αντίστοιχα)
Αυτό που βρήκαν ήταν ότι, ενώ θεωρητικά είναι δυνατό το φως του φωτός να διασχίσει μια σκουληκότρυπα, δεν είναι ακριβώς η κοσμική συντόμευση που όλοι ελπίζαμε να είναι. Όπως εξήγησε ο Jafferis σε μια δήλωση τύπου του AIP, «Χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να περάσετε από αυτές τις σκουληκότρυπες από το να πάτε απευθείας, οπότε δεν είναι πολύ χρήσιμα για διαστημικά ταξίδια».
Βασικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσής τους έδειξαν ότι η άμεση σύνδεση μεταξύ μαύρων οπών είναι μικρότερη από αυτήν της σύνδεσης σκουληκότρυπας. Ενώ αυτό σίγουρα ακούγεται σαν κακές ειδήσεις σε ανθρώπους που είναι ενθουσιασμένοι από την προοπτική των διαστρικών (και διαγαλαξιακών) ταξιδιών κάποια μέρα, τα καλά νέα είναι ότι αυτή η θεωρία παρέχει κάποια νέα εικόνα για το βασίλειο της κβαντικής μηχανικής.
«Η πραγματική εισαγωγή αυτού του έργου σχετίζεται με το πρόβλημα πληροφόρησης της μαύρης τρύπας και τις συνδέσεις μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής», δήλωσε ο Jafferis. Το «πρόβλημα» στο οποίο αναφέρεται είναι γνωστό ως Παράδοξο Πληροφορίας της Μαύρης Τρύπας, κάτι που οι αστροφυσικοί αγωνίζονται από το 1975, όταν ο Stephen Hawking ανακάλυψε ότι οι μαύρες τρύπες έχουν θερμοκρασία και αργά διαρροή ακτινοβολίας (γνωστός και ως ακτινοβολία Hawking).
Αυτό το παράδοξο σχετίζεται με τον τρόπο με τον οποίο οι μαύρες τρύπες είναι σε θέση να διατηρήσουν οποιεσδήποτε πληροφορίες περνούν σε αυτές. Ακόμα κι αν οποιαδήποτε ύλη συσσωρευτεί στην επιφάνειά τους θα συμπιεζόταν στο σημείο της μοναδικότητας, η κβαντική κατάσταση της ύλης τη στιγμή της συμπίεσής της θα διατηρηθεί χάρη στη διαστολή του χρόνου (παγώνει στο χρόνο).
Αλλά εάν οι μαύρες τρύπες χάσουν τη μάζα με τη μορφή ακτινοβολίας και τελικά εξατμιστούν, αυτές οι πληροφορίες τελικά θα χαθούν. Αναπτύσσοντας μια θεωρία μέσω της οποίας το φως μπορεί να διασχίσει μια μαύρη τρύπα, αυτή η μελέτη θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει ένα μέσο επίλυσης αυτού του παράδοξου. Αντί για ακτινοβολία από μαύρες τρύπες που αντιπροσωπεύουν απώλεια μαζικής ενέργειας, θα μπορούσε να είναι ότι η ακτινοβολία Hawking προέρχεται πραγματικά από άλλη περιοχή του διαστήματος.
Μπορεί επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες που προσπαθούν να αναπτύξουν μια θεωρία που ενοποιεί τη βαρύτητα με την κβαντική μηχανική (γνωστή και ως κβαντική βαρύτητα ή μια «Θεωρία των πάντων»). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο Jafferis χρησιμοποίησε εργαλεία κβαντικής θεωρίας πεδίου για να υποθέσει την ύπαρξη διαπερατών μαύρων οπών, καταργώντας έτσι την ανάγκη για εξωτικά σωματίδια και αρνητική μάζα (που φαίνεται ασυνεπής με την κβαντική βαρύτητα). Όπως εξήγησε ο Jafferis:
«Δίνει έναν αιτιώδη έλεγχο περιοχών που διαφορετικά θα ήταν πίσω από έναν ορίζοντα, ένα παράθυρο στην εμπειρία ενός παρατηρητή μέσα σε ένα χωροχρόνο, που είναι προσβάσιμο από έξω. Νομίζω ότι θα μας διδάξει βαθιά πράγματα σχετικά με την αντιστοιχία μετρητή / βαρύτητας, την κβαντική βαρύτητα, και ακόμη ίσως έναν νέο τρόπο διαμόρφωσης της κβαντικής μηχανικής. "
Όπως πάντα, οι ανακαλύψεις στη θεωρητική φυσική μπορούν να είναι ένα δίκοπο σπαθί, που δίνει με το ένα χέρι και αφαιρεί με το άλλο. Έτσι, ενώ αυτή η μελέτη μπορεί να έχει ρίξει περισσότερο κρύο νερό στο όνειρο των ταξιδιών FTL, θα μπορούσε πολύ καλά να μας βοηθήσει να ξεκλειδώσουμε μερικά από τα βαθύτερα μυστήρια του Σύμπαντος. Ποιός ξέρει? Ίσως μερικές από αυτές τις γνώσεις θα μας επιτρέψουν να βρούμε έναν τρόπο γύρω από αυτό το εμπόδιο που είναι γνωστό ως Ειδική Σχετικότητα!
