I gråtårnet og gjennom tidene

Et hypotetisk ormehull er en romtidsgeometri som forbinder områder via en ekstra vei. Inngangene kalles vanligvis munninger; det smale forbindelsesområdet kalles halsen. Avhengig av modellen kan munningene føre til ulike områder i ett og samme univers eller til adskilte ytre områder.[1]

Bilder av brettet papir gjør det lettere å se for seg en kortere vei, men den ekstra dimensjonen i tegningen er et visualiseringsverktøy. Det fysiske spørsmålet handler om avstander og årsaksforløp i selve romtiden. Et ormehull er ikke nødvendigvis et rør som bøyer seg gjennom det omkringliggende rommet, som vi kunne ha kommet oss inn i på en annen måte.[2]

Einstein–Rosen-broen

Allerede i 1935 presenterte Einstein og Rosen en brokonstruksjon da de undersøkte hvordan partikler kunne beskrives i den generelle relativitetsteorien. Målet deres var ikke å konstruere et interstellart transportmiddel.[3]

En bro i den maksimalt utvidede, evige Schwarzschild-geometrien forbinder matematisk to ytre områder. Men verken en massiv reisende eller et foton kan komme fra den ene utsiden til den andre. At den er ikke gjennomtrengelig, skyldes den kausale strukturen, selv om ingen forsøker å komme inn i den.[4]

Morris–Thorne-spørsmålet

Morris og Thorne spurte i stedet hvilken geometri som ville være nødvendig for at et menneske skulle kunne passere gjennom. I deres velkjente statiske, sfæriske modeller må halsen forbli åpen, veien må være fri for hendelseshorisonter, og tidevannskreftene og reisetiden må være akseptable for den reisende.[5]

Når geometrien med slike egenskaper er formulert, gjenstår en annen oppgave: å finne materien og feltene som opprettholder den. En statisk løsning beviser heller ikke i seg selv at systemet kan oppstå eller forbli stabilt etter en forstyrrelse.[5]

Einsteins ligninger knytter romtidens krumning til energi, impuls, trykk og andre påkjenninger. For en standard Morris–Thorne-hals i Einsteins gravitasjon krever geometrien at halsen holdes åpen ved å bryte nullenergibetingelsen i nærheten av den.[5]

Negativt trykk alene er ikke nok. For en ideell væske er nullenergibetingelsen ρ + p ≥ 0, når ρ uttrykkes som energitetthet. Den kosmologiske konstanten har p = −ρ og oppfyller denne betingelsen med likhet. Ormehullspåkjenninger avhenger vanligvis av retningen, så det radiale trykket er viktig.[6]

Hva kvantefysikken tillater – og begrenser

Kvantemekaniske felt kan ha en negativ lokal renormalisert energitetthet, definert i forhold til en passende referansetilstand. Dette gir ikke fritt tilgjengelig materie med ubegrenset negativ energi. Kvantemessige energiuulikheter begrenser passende gjennomsnittsverdier; de nøyaktige grensene avhenger av feltet og de fysiske forholdene.[7]

Casimirs kraft mellom overflater som ligger nær hverandre, er målt. Denne observasjonen tester kvantefelteffekter som avhenger av randbetingelsene; den viser ikke at det finnes et materiale som kan holde et ormehull åpent.[8]

Vanlig antimaterie gir heller ingen snarvei til å oppfylle dette kravet: antipartikler er eksitasjoner med positiv energi, akkurat som vanlige partikler. Motsatt elektrisk ladning betyr ikke negativ energi.[9]

Ford og Roman anvendte kvantebegrensninger på statiske, sfæriske ormehull og fant strenge begrensninger på størrelsen til halsene og områdene med negativ energi. Analysen deres fastsetter strenge grenser som gjelder under bestemte semiklassiske antakelser, men den er ikke et teorem som utelukker alle mulige modeller av ormehull.[10]

Å komme til andre menneskers framtid

To klokker som beveger seg langs ulike baner i romtiden, kan måle ulik egentid. Den reisende kan komme tilbake etter å ha blitt mindre eldre enn dem som ble igjen. Forskjeller i relativistiske klokkeavlesninger er bekreftet gjennom eksperimenter, blant annet sammenligninger med presise atomklokker.[11]

I denne forstand når den reisende fram til en senere fase i andre menneskers liv, selv om det har gått kortere tid for den reisende. Begge klokkene fortsetter likevel å gå framover langs sine baner; denne prosessen bringer ikke den reisende tilbake til en tidligere hendelse.[11]

Å vende tilbake til en hendelse i sin egen fortid

En såkalt lukket tidsliknende kurve, eller CTC, er en tidsliknende bane som peker framover og lukker seg om seg selv i romtiden. Hvis du går rundt en planet, kommer du tilbake til samme sted på et senere tidspunkt. En CTC fører tilbake til samme hendelse i romtiden, slik at en årsakssløyfe blir mulig.[12]

Noen matematiske løsninger inneholder slike kurver. Gödels modell av et roterende univers er et kjent eksempel; egenskapene ved den beskriver ikke universet vi observerer. At man finner en løsning på ligningene, beviser ikke at en slik romtid kan oppstå i naturen under realistiske forhold.[13]

I tankeeksperimentet til Morris, Thorne og Yurtsever kan munnstykkene, på grunn av relativ bevegelse, oppleve ulik egentid mens ormehullet som forbinder dem, fortsatt eksisterer. Hvis munnstykkene plasseres riktig, kan en reise gjennom dem knytte sammen hendelser som eksterne klokker tilordner ulike tidspunkter.[2]

I denne konstruksjonen forutsettes det at ormehullet og feltene som holder det stabilt, består gjennom hele prosedyren. Dette er et betinget argument om geometrien, ikke en bekreftet ingeniørmetode.[2]

Forskyvningen overstiger summen av overgangskorreksjonen og varigheten av returreisen langs den ytre ruten. Hvis man kommer tilbake til B tidligere, er det tid til å vente og lukke sløyfen.[14]

En tidsforskyvning alene garanterer ikke en CTC. Den må være stor nok sammenlignet med varigheten til en mulig returrute til at hele reisen kan lukkes til en sløyfe.[2]

Paradokser reiser spørsmålet om hendelsesforløpet er konsistent

I bestefarparadokset forestiller man seg en handling som opphever betingelsene som er nødvendige for at den samme handlingen skal finne sted. I klassiske studier av lukkede tidsliknende kurver (CTC-er) kan man imidlertid spørre om det finnes selvkonsistente historier. Noen forenklede modeller har konsistente løsninger, noen ganger flere enn én. Dette beviser ikke at tidsmaskiner finnes, eller at reisende fritt kan skrive om en allerede fastlagt fortid.[15]

Hawkings hypotese om kronologibeskyttelse

Hawking lanserte tanken om at fysikkens lover kanskje ikke tillater at lukkede tidsliknende kurver dannes. Når et område som bryter kronologien er i ferd med å dannes, kan kvantefelt reagere kraftig og endre geometrien gjennom tilbakevirkning. Disse argumentene gir grunn til å vurdere kronologibeskyttelse; de utgjør ikke et universelt bevis som utelukker enhver mulighet for en kausal sløyfe.[16]

Kay, Radzikowski og Wald beviste en mer konkret hindring: For klassen av horisonter og kvantefelt de undersøkte, oppfylles ikke lenger den vanlige regularitetsbetingelsen for kvantetilstander ved visse punkter på horisonten. Ved disse punktene fungerer ikke lenger den vanlige metoden for å konstruere den renormaliserte energi-impulstensoren. Dette beviser ikke at energien er uendelig overalt, og fastslår ikke hvilket resultat en fullstendig kvantegravitasjonsteori ville gitt.[17]

ER = EPR – hypotesen om en forbindelse

Maldacena og Susskind foreslo en forbindelse mellom Einstein-Rosen-broer og kvanteforvikling. Enkelte kvanteforviklede tilstander av svarte hull kan beskrives geometrisk ved hjelp av broer. Den bredere ER = EPR-hypotesen spør hvor generelt denne forbindelsen gjelder; den gjør ikke hvert forviklet par til en brukbar tunnel.[19]

Traverserbarhet i kontrollerte holografiske modeller

Gao, Jafferis og Wall viste at man ved å koble sammen grensene i en bestemt anti-de Sitter-modell kan få negativ midlet nullenergi og gjøre broen i modellen traverserbar. Denne konstruksjonen forutsetter en klart definert vekselvirkning mellom de to sidene og bevarer kausaliteten.[20]

Slike modeller er verdifulle fordi gravitasjon og kvanteinformasjon kan undersøkes ved hjelp av beskrivelser som utfyller hverandre. Randbetingelsene og vekselvirkningene deres er en del av fysikken; de gir ikke i seg selv en måte å åpne en snarvei mellom fjerne steder i universet vårt.[20]

Hva ble gjort i eksperimentet med kvanteprosessoren

Forskere gjennomførte i 2022 en forenklet kvantemodell ved hjelp av en krets med ni kvantebiter og undersøkte teleportasjonsdynamikken, som de tolket med utgangspunkt i en gravitasjonell beskrivelse. Eksperimentet undersøkte den foreslåtte forbindelsen mellom kvantedynamikk og ormehullsfysikk.[21]

«Caltech» forklarte tydelig at det ikke ble skapt et ekte romtidsormehull i eksperimentet. Dette var et kontrollert kvantesystem, ikke en portal som et objekt kunne reise gjennom.[22]

Forfatterne av senere studier stilte spørsmål ved hvor godt den forenklede modellen underbygger den gravitasjonelle tolkningen; det opprinnelige teamet forsvarte eksperimentets omfang. Denne diskusjonen handler om tolkningen av modellen, ikke om en tunnel som ble observert å åpne seg i laboratoriet.[23], [24]

Forskere beregner hvordan hypotetiske geometrier ville bøye lysbanen eller påvirke strålingen fra nærliggende materie. I noen modeller kan bildet være svært likt et svart hull-bilde når kilden og observatøren er på samme side. Lys som kommer gjennom halsen fra den andre siden, kan danne andre lysmønstre.[25]

Dette er modellprediksjoner. For at en test skal være meningsfull, må geometrien, lyskilden og observasjonsforholdene angis. En uvanlig lys ring alene ville ikke være nok til å identifisere et ormehull.[25]

Gravitasjonsbølger gir en annen måte å lete på. Enkelte modeller av kompakte objekter uten horisont kan etterligne det første stadiet av en svart hulls ringdown, men senere avvike fra det. Hvis man hevder å ha oppdaget et avvik, bør det sammenlignes grundig med vanlige astrofysiske forklaringer, effekter forårsaket av detektoren og de grunnleggende antakelsene i hver modell.[26]

Ingen bekreftede observasjoner har påvist at et gjennomtrengelig ormehull i romtiden eksisterer. Å undersøke et mulig signal fra en bestemt geometri eller å implementere de tilhørende ligningene på en prosessor er noe annet enn å oppdage selve objektet i naturen.[22]

Et overbevisende forslag må knytte sammen flere ting: romtidens geometri, en konsistent kilde til energi og impuls, en måte en slik konfigurasjon kan oppstå på, og en beskrivelse av hvordan den reagerer på forstyrrelser. Hvis man innfører en ekstra feltart eller endrer gravitasjonsteorien, endres selve problemet, og nye testbare forutsigelser følger med.

Selv en matematisk løsning som kan passeres, ville ikke nødvendigvis vært behagelig for en reisende. Tidevannskrefter, stråling, halsens dimensjoner og tiden det tar å passere, er viktige. Dette er separate spørsmål fra om en slik rute i det hele tatt finnes.[5]

Ormehull er fortsatt nyttige i fysikken fordi de tvinger oss til å stille presise spørsmål om geometri, energi og informasjon. Modeller med tidsløkker gjør det samme innen kausalitet: De viser hvilke antakelser som gjør det mulig å forutsi hendelsesforløpet, og hvor vanlige beskrivelser slutter å være pålitelige.

Science fiction kan ta stabile porter som utgangspunkt. Fysikken spør hva som kan begrunne en slik antakelse, og hvilke bevis som kan gjøre det mulig for oss å identifisere et slikt objekt i universet.

Rom- og tidens natur

1. Den spesielle relativitetsteorien: tidsdilatasjon og lengdekontraksjon
2. Den generelle relativitetsteorien: gravitasjon som krummet romtid
3. Kvantefysikk: bølge-partikkel-dualitet
4. Kvantefeltteori og standardmodellen
5. Svarte hull og hendelseshorisonter
6. Ormehull og tidsreiser · Du er her
7. Mørk materie: skjult masse
8. Mørk energi: den akselererende utvidelsen
9. Gravitasjonsbølger
10. Mot en enhetlig teori