Μια σύνδεση μεταξύ των σκουληκότρυπων και της κβαντικής εμπλοκής

Αυτή η πρόοδος είναι τόσο meta. Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν σφυρηλατήσει μια σύνδεση μεταξύ της έννοιας της διαπλοκής —η ίδια μια μυστηριώδης κβαντομηχανική σύνδεση μεταξύ δύο ευρέως διαχωρισμένων σωματιδίων—και αυτή μιας σκουληκότρυπας—μια υποθετική σύνδεση μεταξύ μαύρων οπών που χρησιμεύει ως συντόμευση στο διάστημα. Η διορατικότητα θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να συμφιλιώσουν την κβαντική μηχανική και τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, ίσως τον μεγαλύτερο στόχο στη θεωρητική φυσική. Αλλά ορισμένοι ειδικοί υποστηρίζουν ότι η σύνδεση είναι απλώς μια μαθηματική αναλογία.

Η εμπλοκή συνδέει τα κβαντικά σωματίδια έτσι ώστε η ενασχόληση με το ένα μπορεί να επηρεάσει αμέσως ένα άλλο. Σύμφωνα με τους περίεργους κβαντικούς νόμους που διέπουν το υποατομικό βασίλειο, ένα μικροσκοπικό σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο αντίθετες συνθήκες ή καταστάσεις ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, ένα άτομο μπορεί να περιστρέφεται προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση—πάνω ή κάτω—ή και με τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αυτή η αμφίδρομη κατάσταση διαρκεί μόνο μέχρι να μετρηθεί το σπιν του ατόμου, ωστόσο, στο οποίο σημείο «καταρρέει» είτε στην άνω είτε στην κάτω κατάσταση. Δύο άτομα μπορούν στη συνέχεια να εμπλακούν έτσι ώστε και τα δύο να περιστρέφονται με δύο τρόπους ταυτόχρονα, αλλά τα σπιν τους να συσχετίζονται πλήρως, έτσι ώστε, για παράδειγμα, να δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Στη συνέχεια, εάν το πρώτο άτομο μετρηθεί και διαπιστωθεί ότι περιστρέφεται προς τα πάνω, το δεύτερο άτομο θα καταρρεύσει αμέσως στην κάτω κατάσταση, ακόμα κι αν είναι έτη φωτός μακριά.

Οι σκουληκότρυπες, από την άλλη πλευρά, είναι μια πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει πώς τα τεράστια αντικείμενα παραμορφώνουν τον χώρο και τον χρόνο, ή τον χωροχρόνο, για να δημιουργήσουν τα αποτελέσματα που ονομάζουμε βαρύτητα. Εάν ένα αντικείμενο είναι αρκετά μεγάλο, μπορεί να δημιουργήσει μια τρύπα σαν χωνί στον χωροχρόνο τόσο απότομη που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει από αυτήν — μια μαύρη τρύπα. Κατ 'αρχήν, δύο ευρέως διαχωρισμένες μαύρες τρύπες μπορούν να συνδεθούν σαν κέρατα τρομπέτας πίσω με πλάτη για να κάνουν μια συντόμευση στον χωροχρόνο που ονομάζεται σκουληκότρυπα.

Με την πρώτη ματιά, η εμπλοκή και οι σκουληκότρυπες φαίνεται να προσφέρουν έναν τρόπο να παρακάμψει το ρητό του Αϊνστάιν ότι τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως. Αλλά και στις δύο περιπτώσεις, αυτή η ελπίδα διαψεύδεται. Η εμπλοκή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποστολή σημάτων γρηγορότερα από το φως, επειδή δεν μπορεί κανείς να ελέγξει την έξοδο της μέτρησης στο πρώτο άτομο και έτσι να ορίσει εσκεμμένα την κατάσταση του απομακρυσμένου. Ομοίως, δεν μπορεί κανείς να περάσει με φερμουάρ μέσα από μια σκουληκότρυπα επειδή είναι αδύνατο να ξεφύγει από τη μαύρη τρύπα στο άλλο άκρο. Ωστόσο, υπάρχει μια σύνδεση. Τον Ιούνιο, ο Juan Maldacena, ένας θεωρητικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, και ο Leonard Susskind, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο της Καλιφόρνια, φαντάστηκαν να μπλέκουν τις κβαντικές καταστάσεις δύο μαύρων τρυπών. Στη συνέχεια, φαντάστηκαν να τραβούν τις μαύρες τρύπες. Όταν συμβεί αυτό, υποστήριξαν, μια καλή σκουληκότρυπα σχηματίζεται ανάμεσα στις δύο μαύρες τρύπες.

Αυτό ίσως δεν ήταν τόσο περίεργο, επειδή οι ερευνητές ξεκίνησαν με τις μαύρες τρύπες. Αλλά τώρα δύο ανεξάρτητες ομάδες επιστημόνων λένε ότι θα πρέπει επίσης να είναι δυνατή η δημιουργία μιας σύνδεσης σκουληκότρυπας μεταξύ δύο συνηθισμένων κβαντικών σωματιδίων, όπως τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Ο Kristan Jensen από το Πανεπιστήμιο της Βικτώριας στον Καναδά και ο Andreas Karch του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον, στο Σιάτλ, ξεκινούν φαντάζονται ένα μπερδεμένο ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ που κατοικεί σε συνηθισμένο τρισδιάστατο χώρο , όπως περιέγραψαν διαδικτυακά στις 20 Νοεμβρίου στο Physical Review Letters . Τα δύο κουάρκ απομακρύνονται ορμητικά το ένα από το άλλο, πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατο να περάσουν σήματα από το ένα στο άλλο. Οι ερευνητές υποθέτουν ότι ο τρισδιάστατος χώρος όπου κατοικούν τα κουάρκ είναι ένα υποθετικό όριο ενός 4D κόσμου. Σε αυτόν τον τρισδιάστατο χώρο, το μπερδεμένο ζεύγος συνδέεται με ένα είδος εννοιολογικής χορδής. Αλλά στον 4D χώρο, η χορδή γίνεται σκουληκότρυπα.

Ο Τζούλιαν Σόνερ του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ βασίζεται στη συνέχεια στο έργο του Καρτς και του Τζένσεν. φαντάζεται ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ που εμφανίζεται σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο , το οποίο στη συνέχεια στέλνει τα αντίθετα φορτισμένα σωματίδια να επιταχύνονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Ο Sonner διαπιστώνει επίσης ότι τα μπερδεμένα σωματίδια στον τρισδιάστατο κόσμο συνδέονται με μια σκουληκότρυπα στον 4D κόσμο, όπως ανέφερε επίσης διαδικτυακά στις 20 Νοεμβρίου στο Physical Review Letters .

Για να καταλήξουν σε αυτό το αποτέλεσμα, οι Jensen, Karch και Sonner χρησιμοποιούν τη λεγόμενη ολογραφική αρχή, μια έννοια που εφευρέθηκε από τον Maldacena που δηλώνει ότι μια κβαντική θεωρία με βαρύτητα σε ένα δεδομένο χώρο είναι ισοδύναμη με μια κβαντική θεωρία χωρίς βαρύτητα σε ένα χώρο με ένα λιγότερη διάσταση που αποτελεί το όριο του αρχικού χώρου. Με άλλα λόγια, οι μαύρες τρύπες μέσα στον 4D χώρο και μια σκουληκότρυπα μεταξύ τους είναι μαθηματικά ισοδύναμες με τις ολογραφικές προβολές τους που υπάρχουν στο όριο σε 3D. Αυτές οι προβολές είναι ουσιαστικά στοιχειώδη σωματίδια που λειτουργούν σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, χωρίς βαρύτητα και μια χορδή που τα συνδέει. «Η σκουληκότρυπα και το μπερδεμένο ζευγάρι δεν ζουν στον ίδιο χώρο», λέει ο Karch. Αλλά, προσθέτει, μαθηματικά είναι ισοδύναμα.

Αλλά πόσο μεγάλη διορατικότητα είναι αυτή; Εξαρτάται από ποιον ρωτάς. Οι Susskind και Maldacena σημειώνουν ότι και στα δύο έγγραφα, τα αρχικά κβαντικά σωματίδια βρίσκονται σε ένα χώρο χωρίς βαρύτητα. Σε ένα απλοποιημένο τρισδιάστατο μοντέλο του κόσμου μας χωρίς βαρύτητα, δεν μπορεί να υπάρχουν μαύρες τρύπες ή σκουληκότρυπες, προσθέτει ο Susskind, επομένως η σύνδεση με μια σκουληκότρυπα σε έναν χώρο υψηλότερων διαστάσεων είναι απλή μαθηματική αναλογία. Η ισοδυναμία σκουληκότρυπας και εμπλοκής "έχει νόημα μόνο σε μια θεωρία με τη βαρύτητα", λέει ο Susskind.

Ωστόσο, ο Karch και οι συνεργάτες του λένε ότι οι υπολογισμοί τους είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα προς την επαλήθευση της θεωρίας των Maldacena και Susskind. Το μοντέλο παιχνιδιού τους χωρίς βαρύτητα, λέει ο Karch, "δίνει μια συγκεκριμένη υλοποίηση της ιδέας ότι η γεωμετρία και η εμπλοκή της σκουληκότρυπας μπορεί να είναι διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας φυσικής πραγματικότητας."