Speciale relativiteit. Het is de vloek van ruimteverkenners, futuristen en sciencefictionschrijvers sinds Albert Einstein het voor het eerst in 1905 voorstelde. Voor degenen onder ons die ervan dromen dat mensen ooit een interstellaire soort worden, is dit wetenschappelijke feit als een natte deken. Gelukkig zijn er een paar theoretische concepten voorgesteld die erop wijzen dat Faster-Than-Light (FTL) reizen op een dag nog steeds mogelijk is.
Een populair voorbeeld is het idee van een wormgat: een speculatieve structuur die twee verre punten in de ruimtetijd verbindt die interstellaire ruimtevaart mogelijk zouden maken. Onlangs voerde een team van Ivy League-wetenschappers een studie uit die aangaf hoe "doorkruisbare wormgaten" daadwerkelijk een realiteit konden zijn. Het slechte nieuws is dat hun resultaten aangeven dat deze wormgaten niet bepaald snelkoppelingen zijn, en het kosmische equivalent zouden kunnen zijn van "de lange weg nemen"!
Oorspronkelijk werd de theorie van wormgaten voorgesteld als een mogelijke oplossing voor de veldvergelijkingen van Einsteins Theory of General Relativity (GR). Kort nadat Einstein de theorie in 1915 had gepubliceerd, vonden de Duitse natuurkundigen Karl Schwarzschild een mogelijke oplossing die niet alleen het bestaan van zwarte gaten voorspelde, maar ook van gangen die ze met elkaar verbonden.
Helaas ontdekte Schwarzschild dat elk wormgat dat twee zwarte gaten met elkaar verbindt te snel zou instorten om iets van het ene uiteinde naar het andere over te steken. De enige manier waarop ze kunnen worden doorkruist, is als ze worden gestabiliseerd door het bestaan van exotische materie met een negatieve energiedichtheid. Daniel Jafferis, de Thomas D. Cabot universitair hoofddocent natuurkunde aan de Harvard University, had een andere kijk.
Zoals hij zijn analyse beschreef tijdens de bijeenkomst van de American Physical Society in april 2019 in Denver, Colorado:
“Het vooruitzicht van configureerbare wormgatconfiguraties is lange tijd een bron van fascinatie geweest. Ik zal de eerste voorbeelden beschrijven die consistent zijn in een UV-completeerbare zwaartekrachttheorie, zonder exotische materie. De configuratie omvat een directe verbinding tussen de twee uiteinden van het wormgat. Ik zal ook de implicaties bespreken voor quantuminformatie in zwaartekracht, de informatieparadox van het zwarte gat en de relatie met quantumteleportatie. ”
Voor deze studie onderzocht Jafferis het werk van Einstein en Nathan Rosen in 1935. Om het werk van Schwarszchild en andere wetenschappers die op zoek waren naar oplossingen voor GR uit te breiden, stelden ze het mogelijke bestaan voor van "bruggen" tussen twee verre punten in ruimte-tijd (bekend als "Einstein-Rosen-bruggen" of "wormgaten") die er in theorie voor kunnen zorgen dat materie en objecten ertussen kunnen passeren.
In 2013 werd deze theorie gebruikt door theoretische natuurkundigen Leonard Susskind en Juan Maldacena als mogelijke oplossing voor GR en "quantumverstrengeling". Deze theorie staat bekend als het ER = EPR-vermoeden en suggereert dat wormgaten de reden zijn waarom een toestand van elementaire deeltjes verstrikt kan raken in die van een partner, zelfs als ze worden gescheiden door miljarden lichtjaren.
Het was vanaf hier dat Jafferis zijn theorie ontwikkelde, postulerend dat wormgaten daadwerkelijk door lichtdeeltjes (ook bekend als fotonen) kunnen worden doorkruist. Om dit te testen, voerde Jafferis een analyse uit met de hulp van Ping Gao en Aron Wall (respectievelijk een Harvard-student en een Stanford University-onderzoeker).
Wat ze ontdekten, was dat hoewel het theoretisch mogelijk is om door een wormgat te gaan, ze niet precies de kosmische snelkoppeling zijn waar we allemaal op hoopten. Zoals Jafferis uitlegde in een persverklaring van AIP: "Het duurt langer om door deze wormgaten te komen dan om rechtstreeks te gaan, dus ze zijn niet erg handig voor ruimtevaart."
De resultaten van hun analyse lieten in feite zien dat een directe verbinding tussen zwarte gaten korter is dan die van een wormgatverbinding. Hoewel dit zeker als slecht nieuws klinkt voor mensen die enthousiast zijn over het vooruitzicht van interstellaire (en intergalactische) reizen op een dag, is het goede nieuws dat deze theorie een nieuw inzicht geeft in het rijk van de kwantummechanica.
"De echte betekenis van dit werk ligt in zijn relatie met het informatieprobleem van het zwarte gat en de verbindingen tussen zwaartekracht en kwantummechanica", zei Jafferis. Het 'probleem' waarnaar hij verwijst, staat bekend als de Black Hole Information Paradox, iets waar astrofysici mee worstelen sinds 1975, toen Stephen Hawking ontdekte dat zwarte gaten een temperatuur hebben en langzaam straling lekken (ook bekend als Hawking-straling).
Deze paradox heeft betrekking op hoe zwarte gaten alle informatie die erin terechtkomt, kunnen bewaren. Hoewel elke materie die op hun oppervlak is geaccumuleerd tot het punt van singulariteit zou worden gecomprimeerd, zou de kwantumtoestand van de materie op het moment van compressie behouden blijven dankzij tijdsdilatatie (het wordt in de tijd bevroren).
Maar als zwarte gaten massa verliezen in de vorm van straling en uiteindelijk verdampen, gaat deze informatie uiteindelijk verloren. Door een theorie te ontwikkelen waarmee licht door een zwart gat kan reizen, zou deze studie een middel kunnen zijn om deze paradox op te lossen. In plaats van straling van zwarte gaten die een verlies aan massa-energie vertegenwoordigt, zou het kunnen zijn dat Hawking Radiation eigenlijk afkomstig is uit een ander gebied van de ruimtetijd.
Het kan ook wetenschappers helpen die proberen een theorie te ontwikkelen die de zwaartekracht verenigt met de kwantummechanica (ook bekend als de kwantumzwaartekracht of een 'theorie van alles'). Dit komt door het feit dat Jafferis kwantumveldtheorie-instrumenten gebruikte om het bestaan van verplaatsbare zwarte gaten te postuleren, waardoor de behoefte aan exotische deeltjes en negatieve massa (die niet consistent lijken met kwantumzwaartekracht) wordt weggenomen. Zoals Jafferis uitlegde:
“Het geeft een causale sonde van regio's die anders achter een horizon zouden zijn geweest, een venster op de ervaring van een waarnemer binnen een ruimtetijd die van buitenaf toegankelijk is. Ik denk dat het ons diepe dingen zal leren over de overeenkomst tussen zwaartekracht en zwaartekracht, kwantumzwaartekracht en misschien zelfs een nieuwe manier om kwantummechanica te formuleren. ”
Zoals altijd kunnen doorbraken in de theoretische fysica een tweesnijdend zwaard zijn, met de ene hand geven en met de andere wegnemen. Dus hoewel deze studie misschien meer koud water op de droom van FTL-reizen heeft gegooid, kan het ons heel goed helpen om enkele van de diepere mysteries van het universum te ontrafelen. Wie weet? Misschien zal een deel van die kennis ons in staat stellen een weg te vinden in dit struikelblok dat bekend staat als Speciale Relativiteit!
