Bild wikipedia Ett maskhål visualiserat som en
tvådimensionell yta. Rutt (a) är den kortaste vägen genom normalrummet mellan
punkterna 1 och 2; Rutt (b) är en kortare väg genom ett maskhål.
Maskhål föreställs ofta som tunnlar genom rum eller
tid genvägar genom universum. Men denna bild vilar på en missuppfattning av
arbetet av fysikerna Albert Einstein och Nathan Rosen.
År 1935, när de studerade partiklarnas beteende i
områden med extrem gravitation, introducerade Einstein och Rosen det de kallade
en "bro": en matematisk länk mellan två perfekt symmetriska kopior av
rumtiden. Det var inte tänkt som en passage för resor utan som ett sätt att effekten mellan gravitation och kvantfysik. Först senare blev
Einstein–Rosen-broar förknippade med maskhål trots att de hade lite med den
ursprungliga idén att göra.
I ny forskning visar Professor Enrique Gaztanaga from the Institute of Cosmology & Gravitation med kollegor att
den ursprungliga Einstein–Rosen-bron pekar på något mycket märkligare och mer
grundläggande än ett maskhål (nedan är dessas forskning och ord).
Pusslet som Einstein och Rosen tog upp handlade
aldrig om rymdresor, utan om hur kvantfält beter sig i krökt rumtid. Tolkad så
fungerar Einstein–Rosen-bron som en spegel i rumtiden en koppling mellan två
mikroskopiska tidspilar.
Kvantmekaniken styr naturen på de minsta skalorna
såsom partiklar medan Einsteins allmänna relativitetsteori gäller gravitation och
rumtid. Att förena de två är fortfarande en av fysikens största utmaningar.
Omtolkningen kan erbjuda en väg till detta.
"Maskhåls"-tolkningen uppstod decennier efter Einsteins och Rosens
arbete då fysiker spekulerade i att korsa från ena sidan av rumtiden till den
andra (in i ett svart hål och ut i ett så kallat vitt hål).
Men samma analyser gjorde också tydligt hur
spekulativ idén var inom allmän relativitetsteorin är en sådan resa omöjlig. Bron
klämmer av snabbare än ljuset kan ta sig över den vilket gör det omöjligt. Einstein–Rosen-broar är därför instabila och oobserverbara matematiska strukturer, inte portaler.
Ändå blomstrade maskhålsmetaforen inom populärkulturen och spekulativ teoretisk fysik. Idén att svarta hål kan koppla samman avlägsna delar av kosmos – eller till och med fungera som tidsmaskiner inspirerade otaliga artiklar, böcker och filmer.
Ändå finns det inga observationsbevis för
makroskopiska maskhål inte heller någon övertygande teoretisk anledning att
förvänta sig dem inom Einsteins teori. Även om spekulativa utvidgningar av
fysiken såsom exotiska materieformer eller modifieringar av allmän
relativitet har föreslagits för att stödja sådana strukturer är de
fortfarande oprövade och starkt spekulativa. Det senaste arbetet återbesöker
Einstein–Rosen-bropusslet med en modern kvanttolkning av tid, byggt på idéer
utvecklade av Sravan Kumar och João Marto.
De flesta grundläggande fysikaliska lagar skiljer
inte mellan dåtid och framtid eller mellan vänster och höger. Om tid eller rum
är omvänd i sina ekvationer förblir lagarna giltiga. Att ta dessa symmetrier på
allvar leder till en annan tolkning av Einstein–Rosen-bron.
Istället för en tunnel genom rymden kan den förstås
som två kompletterande komponenter av ett kvanttillstånd. I en av dem flyter
tiden framåt i den andra flödar den bakåt från sin spegelreflekterade
position.
Denna symmetri är inte en filosofisk preferens. När
oändligheter utesluts måste kvantutvecklingen förbli fullständig och reversibel
på mikroskopisk nivå även i närvaro av gravitation.
"Bryggan" uttrycker att båda
tidskomponenterna behövs för att beskriva ett komplett fysiskt system. I
vanliga situationer ignorerar fysiker den tidsomvända komponenten genom att
välja en enda tidspil.
Men nära svarta hål, eller i expanderande och
kollapsande universum måste båda riktningarna inkluderas för en konsekvent
kvantbeskrivning. Det är här som Einstein–Rosen-broar naturligt uppstår.
På mikroskopisk nivå tillåter bron information att
passera över vad som för oss framstår som en händelsehorisont en punkt utan
återvändo. Information försvinner inte. Den fortsätter att utvecklas men i
motsatt riktning, spegeltidsmässig.
Denna ram erbjuder en naturlig lösning på den
berömda informationsparadoxen för svarta hål. År 1974 visade Stephen Hawking
att svarta hål avger värme och så småningom kan avdunsta vilket tydligen
raderade all information om vad som hamnade i dem vilket motsäger
kvantprincipen att evolutionen måste bevara information.
Paradoxen uppstår endast om vi insisterar på att
beskriva horisonter med en enda, ensidig tidspil extrapolerad till oändligheten en förutsättning som kvantmekaniken själv inte kräver.
Om den fullständiga kvantbeskrivningen inkluderar
båda tidsriktningarna går ingenting egentligen förlorat. Information lämnar vår
tidsriktning och återuppstår längs den omvända. Fullständighet och kausalitet
bevaras utan att åberopa exotisk ny fysik.
Dessa idéer är svåra att förstå eftersom vi är
makroskopiska varelser som bara upplever en riktning av tid. På vardagsskalor
tenderar oordning eller entropi att öka. Ett högordnat tillstånd utvecklas
naturligt till ett oordnat, aldrig tvärtom. Detta ger oss en tidspil.
Men kvantmekaniken tillåter mer subtilt beteende.
Intressant nog kan bevis för denna dolda struktur redan finnas. Den kosmiska
mikrovågsbakgrunden efterglöden från Big Bang visar en liten men ihållande
asymmetri en preferens för en rumslig orientering framför dess spegelbild.
Denna anomali har förbryllat kosmologer i två
decennier. Standardmodeller tillskriver den extremt låg sannolikhet om inte
spegelkvantkomponenter inkluderas.
Denna bild kopplas naturligt till en djupare
möjlighet. Det vi kallar "Big Bang" är kanske inte den absoluta
början utan en studs en kvantövergång mellan två tidsomvända faser av
kosmisk evolution.
I ett sådant scenario skulle svarta hål kunna
fungera som broar inte bara mellan tidsriktningar, utan mellan olika
kosmologiska epoker. Vårt universum kan vara insidan av ett svart hål bildat i
ett annat kosmos. Detta kan ha bildats när ett slutet område av rumtiden
kollapsade, studsade tillbaka och började expandera som det universum vi ser
idag.
Om denna bild stämmer ger den också ett sätt för
observationer att avgöra. Reliker från förstudsfasen såsom mindre svarta hål skulle kunna överleva övergången och återuppträda i vårt expanderande
universum. En del av den osedda materia vi tillskriver mörk materia kan
faktiskt vara gjord av sådana reliker.
I denna syn utvecklades Big Bang från förhållanden i
en föregående kontraktion. Maskhål är inte nödvändiga. Bron är tidsmässig inte
rumslig och Big Bang blir en port inte en början.
Denna omtolkning av Einstein–Rosen-broarna erbjuder
inga genvägar över galaxer, inga tidsresor och inga science fiction-maskhål
eller hyperspace. Det den erbjuder är mycket djupare. Den erbjuder en
konsekvent kvantbild av gravitation där rumtiden förkroppsligar en balans
mellan motsatta tidsriktningar och där vårt universum kan ha haft en historia
före Big Bang.
Den störtar inte Einsteins relativitet eller
kvantfysik – den fullbordar dem. Nästa revolution inom fysiken kanske inte tar
oss snabbare än ljuset men den kan avslöja att tiden, djupt inne i den
mikroskopiska världen och i ett studsande universum, flyter åt båda hållen.
