Οι σκουληκότρυπες ξεμπερδεύουν ένα παράδοξο της μαύρης τρύπας

Εκατό χρόνια αφότου ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανέπτυξε τη γενική του θεωρία της σχετικότητας, οι φυσικοί εξακολουθούν να είναι κολλημένοι με ίσως το μεγαλύτερο πρόβλημα ασυμβατότητας στο σύμπαν. Το ομαλά παραμορφωμένο χωροχρονικό τοπίο που περιέγραψε ο Αϊνστάιν μοιάζει με πίνακα του Σαλβαδόρ Νταλί — απρόσκοπτη, αδιάσπαστη, γεωμετρική. Αλλά τα κβαντικά σωματίδια που καταλαμβάνουν αυτό το χώρο μοιάζουν περισσότερο με κάτι από τον Georges Seurat:pointillist, διακριτά, που περιγράφονται από πιθανότητες. Στον πυρήνα τους, οι δύο περιγραφές έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους. Ωστόσο, ένα τολμηρό νέο στέλεχος σκέψης υποδηλώνει ότι οι κβαντικοί συσχετισμοί μεταξύ κηλίδων ιμπρεσιονιστικής μπογιάς δεν δημιουργούν μόνο το τοπίο του Νταλί, αλλά τους καμβάδες στους οποίους κάθονται και οι δύο, καθώς και τον τρισδιάστατο χώρο γύρω τους. Και ο Αϊνστάιν, όπως το κάνει τόσο συχνά, κάθεται ακριβώς στο κέντρο όλων, συνεχίζοντας να ανατρέπει τα πράγματα πέρα ​​από τον τάφο.

Όπως τα αρχικά σκαλισμένα σε ένα δέντρο, το ER =EPR, όπως είναι γνωστή η νέα ιδέα, είναι μια συντομογραφία που ενώνει δύο ιδέες που πρότεινε ο Αϊνστάιν το 1935. Η μία περιελάμβανε το παράδοξο που υπονοείται από αυτό που ονόμασε «απόκοσμη δράση σε απόσταση» μεταξύ κβαντικών σωματιδίων (το παράδοξο EPR, που πήρε το όνομά του από τους συγγραφείς του, Αϊνστάιν, Μπόρις Ποντόλσκι και Νέιθαν Ρόζεν). Το άλλο έδειξε πώς δύο μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συνδεθούν μέσω μακρινών περιοχών του διαστήματος μέσω «σκουληκότρυπων» (ER, για τις γέφυρες Einstein-Rosen). Την εποχή που ο Αϊνστάιν παρουσίασε αυτές τις ιδέες — και για τις περισσότερες από τις οκτώ δεκαετίες έκτοτε — θεωρήθηκε ότι δεν είχαν καμία σχέση μεταξύ τους.

Αλλά αν το ER =EPR είναι σωστό, οι ιδέες δεν αποσυνδέονται - είναι δύο εκδηλώσεις του ίδιου πράγματος. Και αυτή η υποκείμενη σύνδεση θα αποτελούσε το θεμέλιο όλου του χωροχρόνου. Η κβαντική εμπλοκή - η δράση σε απόσταση που τόσο προβλημάτισε τον Αϊνστάιν - θα μπορούσε να δημιουργήσει τη «χωρική συνδεσιμότητα» που «ράβει τον χώρο μαζί», σύμφωνα με τον Λέοναρντ Σάσκινντ, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και έναν από τους κύριους αρχιτέκτονες της ιδέας. Χωρίς αυτές τις συνδέσεις, όλο το διάστημα θα «ατομοποιηθεί», σύμφωνα με τον Juan Maldacena, φυσικό στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, N.J., ο οποίος ανέπτυξε την ιδέα μαζί με τον Susskind. «Με άλλα λόγια, η συμπαγής και αξιόπιστη δομή του χωροχρόνου οφείλεται στα φανταστικά χαρακτηριστικά της εμπλοκής», είπε. Επιπλέον, το ER =EPR έχει τη δυνατότητα να εξετάσει πώς ταιριάζει η βαρύτητα με την κβαντομηχανική.

Δεν το αγοράζουν όλοι, φυσικά (ούτε πρέπει να το αγοράσουν· η ιδέα είναι «στα σπάργανα», είπε ο Susskind). Ο Τζο Πολτσίνσκι, ερευνητής στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, του οποίου το εκπληκτικό παράδοξο σχετικά με τα τείχη προστασίας στο λαιμό των μαύρων τρυπών πυροδότησε τις τελευταίες εξελίξεις, είναι προσεκτικός, αλλά ενδιαφέρεται. "Δεν ξέρω πού πάει", είπε, "αλλά είναι μια διασκεδαστική στιγμή αυτή τη στιγμή."

The Black Hole Wars

Ο δρόμος που οδήγησε στο ER =EPR είναι μια λωρίδα Möbius από μπλεγμένες ανατροπές και στροφές που διπλώνει πίσω στον εαυτό του, σαν σχέδιο του M.C. Escher.

Ένα δίκαιο μέρος για να ξεκινήσετε μπορεί να είναι η κβαντική εμπλοκή. Αν δύο κβαντικά σωματίδια μπλέκονται, γίνονται, στην πραγματικότητα, δύο μέρη μιας ενιαίας μονάδας. Ό,τι συμβαίνει στο ένα μπλεγμένο σωματίδιο συμβαίνει και στο άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους.

Η Maldacena χρησιμοποιεί μερικές φορές ένα ζευγάρι γάντια ως αναλογία:Αν συναντήσετε το δεξιόχειρα γάντι, αμέσως καταλαβαίνετε ότι ο άλλος είναι αριστερόχειρας. Δεν υπάρχει τίποτα τρομακτικό σε αυτό. Αλλά στην κβαντική έκδοση, και τα δύο γάντια είναι στην πραγματικότητα αριστερόχειρα και δεξιόχειρα (και όλα ενδιάμεσα) μέχρι τη στιγμή που τα παρατηρείς. Ακόμα πιο τρομακτικό, το αριστερόχειρα γάντι δεν γίνεται αριστερό μέχρι να παρατηρήσετε το δεξιόχειρα — οπότε και οι δύο αποκτούν αμέσως μια σιγουριά.

Η διαπλοκή έπαιξε βασικό ρόλο στην ανακάλυψη του Στίβεν Χόκινγκ το 1974 ότι οι μαύρες τρύπες μπορούσαν να εξατμιστούν. Αυτό, επίσης, περιλάμβανε μπλεγμένα ζεύγη σωματιδίων. Σε όλο το διάστημα, βραχύβια «εικονικά» σωματίδια ύλης και αντιύλης εισέρχονται και εξέρχονται συνεχώς. Ο Χόκινγκ συνειδητοποίησε ότι αν το ένα σωματίδιο έπεφτε σε μια μαύρη τρύπα και το άλλο ξέφευγε, η τρύπα θα εκπέμπει ακτινοβολία, που λάμπει σαν ετοιμοθάνατη χόβολη. Με αρκετό χρόνο, η τρύπα θα εξατμιζόταν σε τίποτα, εγείροντας το ερώτημα για το τι συνέβη με το περιεχόμενο πληροφοριών του υλικού που έπεσε σε αυτήν.

Όμως οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής απαγορεύουν την πλήρη καταστροφή των πληροφοριών. (Η απελπιστική σύγχυση πληροφοριών είναι μια άλλη ιστορία, γι' αυτό μπορεί να καούν έγγραφα και να θρυμματιστούν οι σκληροί δίσκοι. Δεν υπάρχει τίποτα στους νόμους της φυσικής που εμποδίζει την ανακατασκευή των πληροφοριών που χάνονται στον καπνό και τις στάχτες ενός βιβλίου, τουλάχιστον κατ' αρχήν.) Η ερώτηση έγινε:Οι πληροφορίες που αρχικά μπήκαν στη μαύρη τρύπα απλώς θα ανακατεύονταν; Ή θα ήταν πραγματικά χαμένο; Τα επιχειρήματα πυροδότησαν αυτό που ο Susskind ονόμασε «πόλεμοι της μαύρης τρύπας», οι οποίοι έχουν δημιουργήσει αρκετές ιστορίες για να γεμίσουν πολλά βιβλία. (Το Susskind's είχε υπότιτλο "My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics.")

Τελικά ο Susskind —σε μια ανακάλυψη που σόκαρε ακόμα και τον ίδιο— συνειδητοποίησε (με τον Gerard 't Hooft) ότι όλες οι πληροφορίες που έπεσαν στην τρύπα είχαν παγιδευτεί στον δισδιάστατο ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, την επιφάνεια που σηματοδοτεί το σημείο χωρίς επιστροφή . Ο ορίζοντας κωδικοποίησε τα πάντα μέσα, σαν ολόγραμμα. Ήταν λες και τα κομμάτια που χρειάζονταν για να ξαναδημιουργηθεί το σπίτι σου και οτιδήποτε μέσα σε αυτό μπορούσε να χωρέσει στους τοίχους. Οι πληροφορίες δεν χάθηκαν — κωδικοποιήθηκαν και αποθηκεύτηκαν απρόσιτες.

Ο Susskind συνέχισε να εργάζεται πάνω στην ιδέα με τη Maldacena, την οποία ο Susskind αποκαλεί «ο κύριος», και άλλους. Η ολογραφία άρχισε να χρησιμοποιείται όχι μόνο για να κατανοήσει τις μαύρες τρύπες, αλλά οποιαδήποτε περιοχή του διαστήματος που μπορεί να περιγραφεί από τα όριά της. Την τελευταία δεκαετία περίπου, η φαινομενικά τρελή ιδέα ότι το διάστημα είναι ένα είδος ολογράμματος έχει γίνει μάλλον βαρετή, ένα εργαλείο της σύγχρονης φυσικής που χρησιμοποιείται σε οτιδήποτε, από την κοσμολογία έως τη συμπυκνωμένη ύλη. «Ένα από τα πράγματα που συμβαίνουν στις επιστημονικές ιδέες είναι ότι συχνά περνούν από την άγρια ​​εικασία σε μια λογική εικασία στα εργαλεία εργασίας», είπε ο Susskind. "Έχει γίνει ρουτίνα."

Η ολογραφία ασχολήθηκε με το τι συμβαίνει στα όρια, συμπεριλαμβανομένων των οριζόντων της μαύρης τρύπας. Αυτό άφησε ανοιχτό το ερώτημα για το τι συμβαίνει στους εσωτερικούς χώρους, είπε ο Susskind, και οι απαντήσεις σε αυτό «βρίσκονταν παντού στον χάρτη». Σε τελική ανάλυση, δεδομένου ότι καμία πληροφορία δεν μπορούσε ποτέ να διαφύγει από το εσωτερικό του ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας, οι νόμοι της φυσικής εμπόδισαν τους επιστήμονες να δοκιμάσουν ποτέ απευθείας τι συνέβαινε μέσα.

Στη συνέχεια, το 2012, ο Polchinski, μαζί με τους Ahmed Almheiri, Donald Marolf και James Sully, όλοι τους τότε στη Σάντα Μπάρμπαρα, κατέληξαν σε μια ιδέα τόσο εκπληκτική που βασικά είπε στους φυσικούς:Κρατήστε τα πάντα. Δεν γνωρίζουμε τίποτα.

Το λεγόμενο έγγραφο AMPS (μετά τα αρχικά των συγγραφέων του) παρουσίαζε ένα παράδοξο εμπλοκής - ένα τόσο έντονο που υπονοούσε ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί, στην πραγματικότητα, να μην έχουν καν εσωτερικά, γιατί ένα «τείχος προστασίας» ακριβώς μέσα στον ορίζοντα θα δημιουργούσε οποιοσδήποτε ή οτιδήποτε προσπαθεί να ανακαλύψει τα μυστικά του.

Κλιμάκωση του Τείχους προστασίας       

Εδώ είναι η καρδιά του επιχειρήματός τους:Εάν ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι ένα ομαλό, φαινομενικά συνηθισμένο μέρος, όπως προβλέπει η σχετικότητα (οι συγγραφείς αποκαλούν αυτήν την κατάσταση «χωρίς δράμα»), τα σωματίδια που βγαίνουν από τη μαύρη τρύπα πρέπει να είναι μπλεγμένα με σωματίδια πέφτοντας στη μαύρη τρύπα. Ωστόσο, για να μην χαθούν πληροφορίες, τα σωματίδια που βγαίνουν από τη μαύρη τρύπα πρέπει επίσης να μπλέξουν με σωματίδια που έφυγαν πολύ καιρό πριν και τώρα είναι διασκορπισμένα σε μια ομίχλη ακτινοβολίας Hawking. Αυτό είναι ένα πάρα πολλά είδη εμπλοκών, συνειδητοποίησαν οι συγγραφείς του AMPS. Ένας από αυτούς θα έπρεπε να φύγει.

Ο λόγος είναι ότι οι μέγιστες εμπλοκές πρέπει να είναι μονογαμικές, να υπάρχουν μεταξύ δύο μόνο σωματιδίων. Δύο μέγιστες εμπλοκές ταυτόχρονα - η κβαντική πολυγαμία - απλά δεν μπορούν να συμβούν, κάτι που υποδηλώνει ότι ο ομαλός, συνεχής χωροχρόνος μέσα στο λαιμό των μαύρων τρυπών δεν μπορεί να υπάρξει. Ένα σπάσιμο της εμπλοκής στον ορίζοντα θα σήμαινε μια ασυνέχεια στο διάστημα, μια συσσώρευση ενέργειας:το «τείχος προστασίας».

Το χαρτί AMPS έγινε «πραγματικό έναυσμα», είπε ο Stephen Shenker, ένας φυσικός στο Stanford, και «εκτόξευσε με έντονη ανακούφιση» πόσο πολύ δεν έγινε κατανοητό. Φυσικά, οι φυσικοί αγαπούν τέτοια παράδοξα, γιατί αποτελούν πρόσφορο έδαφος για ανακάλυψη.

Και ο Susskind και ο Maldacena το πήραν αμέσως. Σκεφτόντουσαν την εμπλοκή και τις σκουληκότρυπες και και οι δύο εμπνεύστηκαν από το έργο του Mark Van Raamsdonk, ενός φυσικού στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας στο Βανκούβερ, ο οποίος είχε πραγματοποιήσει ένα σημαντικό πείραμα σκέψης που υποδηλώνει ότι η εμπλοκή και ο χωροχρόνος συνδέονται στενά. .

«Τότε μια μέρα», είπε ο Susskind, «ο Juan μου έστειλε ένα πολύ κρυπτικό μήνυμα που περιείχε την εξίσωση ER =EPR. Είδα αμέσως τι είχε να κάνει και από εκεί πηγαινοερχόμασταν επεκτείνοντας την ιδέα."

Οι έρευνές τους, τις οποίες παρουσίασαν σε ένα έγγραφο του 2013, «Cool Horizons for Entangled Black Holes», υποστήριξαν για ένα είδος εμπλοκής που είπαν ότι οι συγγραφείς του AMPS είχαν παραβλέψει – αυτό που «συνδέει το διάστημα μεταξύ τους», σύμφωνα με τον Susskind. Ο AMPS υπέθεσε ότι τα μέρη του χώρου εντός και εκτός του ορίζοντα γεγονότων ήταν ανεξάρτητα. Αλλά οι Susskind και Maldacena προτείνουν ότι, στην πραγματικότητα, τα σωματίδια και στις δύο πλευρές των συνόρων θα μπορούσαν να συνδέονται με μια σκουληκότρυπα. Η εμπλοκή ER =EPR θα μπορούσε «κάπως να ξεπεράσει το φαινομενικό παράδοξο», είπε ο Van Raamsdonk. Το χαρτί περιείχε ένα γραφικό που ορισμένοι αναφέρουν μισοαστεία ως "εικόνα χταποδιού" — με πολλαπλές σκουληκότρυπες που οδηγούν από το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας στην ακτινοβολία Hawking στο εξωτερικό.

Με άλλα λόγια, δεν υπήρχε ανάγκη για εμπλοκή που θα δημιουργούσε μια συστροφή στην λεία επιφάνεια του λαιμού της μαύρης τρύπας. Τα σωματίδια που εξακολουθούν να βρίσκονται μέσα στην τρύπα θα συνδέονται απευθείας με σωματίδια που έχουν φύγει εδώ και πολύ καιρό. Δεν χρειάζεται να περάσετε από τον ορίζοντα, δεν χρειάζεται να περάσετε το Go. Τα σωματίδια στο εσωτερικό και τα μακριά θα μπορούσαν να θεωρηθούν ένα και το αυτό, εξήγησε ο Maldacena — όπως εγώ, εγώ και εγώ. Η πολύπλοκη σκουληκότρυπα του «χταπόδι» θα συνέδεε το εσωτερικό της μαύρης τρύπας απευθείας με τα σωματίδια στο μακρύ αναχώρησε σύννεφο ακτινοβολίας Hawking.

Τρύπες στη σκουληκότρυπα

Κανείς δεν είναι σίγουρος ακόμη εάν το ER =EPR θα λύσει το πρόβλημα του τείχους προστασίας. Ο John Preskill, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα, υπενθύμισε στους αναγνώστες του Quantum Frontiers, του ιστολογίου για το Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορίας και Ύλης του Caltech, ότι μερικές φορές οι φυσικοί βασίζονται στην «αίσθηση της όσφρησης» τους για να μυρίσουν ποιες θεωρίες υπόσχονται. «Στην πρώτη μυρωδιά», έγραψε, «Το ER =EPR μπορεί να μυρίζει φρέσκο ​​και γλυκό, αλλά θα πρέπει να ωριμάσει στο ράφι για λίγο.»

Ό,τι κι αν συμβεί, η αντιστοιχία μεταξύ των μπερδεμένων κβαντικών σωματιδίων και της γεωμετρίας του ομαλά στρεβλωμένου χωροχρόνου είναι μια «μεγάλη νέα εικόνα», είπε ο Shenker. Αυτός και ο συνεργάτης του Ντάγκλας Στάνφορντ, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, επέτρεψε να αντιμετωπίσουν σύνθετα προβλήματα στο κβαντικό χάος μέσω αυτού που ο Shenker αποκαλεί «απλή γεωμετρία που ακόμη και εγώ μπορώ να καταλάβω».

Για να είμαστε σίγουροι, το ER =EPR δεν ισχύει ακόμη για οποιοδήποτε είδος χώρου ή οποιοδήποτε είδος εμπλοκής. Χρειάζεται ένα ειδικό είδος εμπλοκής και ένα ειδικό είδος σκουληκότρυπας. «Ο Λένυ και ο Χουάν το γνωρίζουν πλήρως αυτό», είπε ο Μάρολφ, ο οποίος πρόσφατα συνέγραψε ένα έγγραφο που περιγράφει τις σκουληκότρυπες με περισσότερα από δύο άκρα. Το ER =EPR λειτουργεί σε πολύ συγκεκριμένες καταστάσεις, είπε, αλλά ο AMPS υποστηρίζει ότι το τείχος προστασίας παρουσιάζει μια πολύ ευρύτερη πρόκληση.

Όπως ο Polchinski και άλλοι, ο Marolf ανησυχεί ότι το ER =EPR τροποποιεί την τυπική κβαντομηχανική. «Πολλοί άνθρωποι ενδιαφέρονται πραγματικά για την εικασία ER =EPR», είπε ο Marolf. «Αλλά υπάρχει μια αίσθηση ότι κανείς εκτός από τον Λένι και τον Χουάν δεν καταλαβαίνει πραγματικά τι είναι». Ωστόσο, "είναι μια ενδιαφέρουσα στιγμή να είσαι στο γήπεδο."

Διευκρίνιση στις 27 Απριλίου 2015:Το άρθρο έχει τροποποιηθεί για να διευκρινιστεί ότι μόνο τα μέγιστα μπερδεμένα σωματίδια πρέπει να έχουν μονογαμικές εμπλοκές.

Το δεύτερο μέρος αυτής της σειράς, το οποίο διερευνά τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο η εμπλοκή θα μπορούσε να δημιουργήσει χωροχρόνο, θα εμφανιστεί την Τρίτη, 28 Απριλίου.