Vandring i bergen och tidsresor

Ett hypotetiskt maskhål är en rumtidsgeometri som förbinder områden genom en extra väg. Dess öppningar kallas vanligen mynningar; det smala förbindande området kallas halsen. Beroende på modellen kan mynningarna leda till olika områden i samma universum eller till separata yttre områden.[1]

Illustrationer av vikt papper hjälper oss att föreställa oss en kortare väg, men den extra dimensionen i teckningen är ett visualiseringsverktyg. Den fysiska frågan handlar om avstånd och kausala vägar i själva rumtiden. Ett maskhål behöver inte vara ett rör som böjer sig genom det omgivande rummet och som vi skulle kunna ta oss in i på något annat sätt.[2]

Einstein–Rosen-bro

Redan 1935 presenterade Einstein och Rosen en brokonstruktion när de undersökte hur partiklar kunde beskrivas inom den allmänna relativitetsteorin. Deras mål var inte att utforma ett transportsystem mellan stjärnorna.[3]

En bro i den maximalt utvidgade eviga Schwarzschildgeometrin förbinder matematiskt två yttre områden. Men varken en massiv resenär eller en foton kan ta sig från det ena yttre området till det andra. Dess ofarbarthet beror på den kausala strukturen, även om ingen försöker ta sig in i den.[4]

Morris–Thornes fråga

Morris och Thorne frågade i stället vilken geometri en människa skulle behöva färdas genom. I deras välkända statiska sfäriska modeller måste halsen förbli öppen, det får inte finnas någon händelsehorisont längs vägen och tidvattenkrafterna och restiden måste vara acceptabla för resenären.[5]

När geometrin med sådana egenskaper har beskrivits återstår en annan uppgift: att identifiera materia och fält som kan upprätthålla den. En statisk lösning visar inte heller i sig att systemet kan bildas eller förbli stabilt efter en störning.[5]

Einsteins ekvationer kopplar samman rumtidens krökning med energi, rörelsemängd, tryck och andra spänningar. För en standardmässig Morris–Thorne-hals i Einsteins gravitation kräver geometrins utvidgning att nollenergivillkoret bryts nära halsen.[5]

Enbart negativt tryck räcker inte. För en ideal fluid är det svaga energivillkoret ρ + p ≥ 0, där ρ uttrycks som energitäthet. Den kosmologiska konstanten har p = −ρ och uppfyller villkoret med likhet. En maskhals påverkas vanligtvis av riktningsberoende spänningar, så det radiella trycket är viktigt.[6]

Vad kvantfysiken tillåter – och begränsar

Kvantfält kan ha lokal renormaliserad energitäthet som är negativ, definierad i förhållande till ett lämpligt referenstillstånd. Det innebär inte att man fritt kan samla på sig materia med obegränsat negativ energi. Kvantenergiodlikheter begränsar lämpliga medelvärden; de exakta gränserna beror på fältet och de fysikaliska förhållandena.[7]

Casimirs kraft mellan ytor som ligger nära varandra har uppmätts. Observationen undersöker kvantfälteffekter som beror på randvillkor; den visar inte på något material som kan hålla ett maskhål öppet.[8]

Vanlig antimateria erbjuder inte heller någon genväg till det här kravet: antipartiklar är excitationer med positiv energi, precis som vanliga partiklar. Motsatt elektrisk laddning innebär inte negativ energi.[9]

Ford och Roman tillämpade kvantbegränsningar på statiska sfäriska maskhål och fann strikta begränsningar för storleken på deras halsar och områden med negativ energi. Deras analys fastställer strikta gränser som gäller under specifika semiklassiska antaganden, men det är inte en sats som utesluter alla tänkbara maskhålsmodeller.[10]

Ta sig in i andra människors framtid

För två klockor som färdas längs olika banor i rumtiden kan olika mycket egentid förflyta. Resenären kan komma tillbaka mindre åldrad än de som stannade kvar. Relativistiska skillnader i klockors gång har bekräftats experimentellt, bland annat genom jämförelser med precisa atomur.[11]

I den meningen når resenären ett senare skede i andra människors liv, trots att mindre tid har förflutit för resenären själv. Båda klockorna går ändå framåt längs sina banor; den här processen för resenären inte tillbaka till en tidigare händelse.[11]

Återvända till en händelse i sitt eget förflutna

En så kallad sluten tidslik kurva, eller CTC, är en tidslik bana riktad mot framtiden som sluter sig till sig själv i rumtiden. Om du färdas runt en planet återvänder du till samma plats vid en senare tidpunkt. En CTC återför dig till samma händelse i rumtiden, vilket gör en kausal loop möjlig.[12]

Vissa matematiska lösningar innehåller sådana kurvor. Gödeluniversumets roterande modell är ett känt exempel; dess egenskaper beskriver inte det universum vi observerar. Att hitta en lösning till ekvationerna bevisar inte att en sådan rumtid kan uppstå i naturen under realistiska förhållanden.[13]

I Morris, Thorne och Yurtsevers tankeexperiment kan mynningarna till följd av relativ rörelse ha förflutit olika mycket egentid, samtidigt som maskhålet som förbinder dem finns kvar. Om mynningarna placeras på lämpligt sätt kan en resa genom dem förbinda händelser som externa klockor anger inträffar vid olika tidpunkter.[2]

Den här konstruktionen förutsätter att maskhålet och fälten som håller det öppet består under hela proceduren. Det är ett villkorligt argument om geometrin, inte en bekräftad ingenjörsmetod.[2]

Förskjutningen överstiger summan av övergångskorrigeringen och restiden längs den yttre vägen. När man kommer tillbaka till B tidigare finns det tid att vänta och sluta slingan.[14]

En tidsförskjutning garanterar inte i sig en CTC. Den måste vara tillräckligt stor jämfört med restiden längs den möjliga återvägen för att hela resan ska kunna slutas till en slinga.[2]

Paradoxer väcker frågan om händelseförloppet är konsekvent

I farfarsparadoxen föreställer man sig en handling som undanröjer de villkor som krävs för att samma handling ska kunna utföras. I klassiska studier av slutna tidslika kurvor (CTC) kan man däremot fråga om inbördes konsekventa historier existerar. Vissa förenklade modeller har konsekventa lösningar, ibland fler än en. Detta bevisar inte att tidsmaskiner existerar eller att resenärer fritt kan skriva om en fastslagen historia.[15]

Hawkings hypotes om kronologiskydd

Hawking lade fram tanken att fysikens lagar kan hindra slutna tidslika kurvor från att bildas. När ett område som bryter mot kronologin håller på att bildas skulle kvantfält kunna reagera kraftigt och förändra geometrin genom bakåtverkan. Dessa argument ger anledning att överväga kronologiskydd; de utgör inget universellt bevis som utesluter varje möjlighet till en kausal slinga.[16]

Kay, Radzikowski och Wald visade att det finns ett mer specifikt hinder: för den klass av horisonter och kvantfält som de studerade uppfylls inte längre det vanliga regularitetsvillkoret för kvanttillstånd vid vissa punkter på horisonten. Vid dessa punkter fungerar inte längre det vanliga sättet att konstruera den renormaliserade energi-impulstensoren. Detta bevisar inte att energin är oändlig överallt och fastställer inte vilket resultat en fullständig teori om kvantgravitation skulle ge.[17]

ER = EPR – hypotesen om ett samband

Maldacena och Susskind föreslog ett samband mellan Einstein–Rosen-broar och kvantsammanflätning. Vissa kvantsammanflätade tillstånd hos svarta hål kan beskrivas geometriskt med hjälp av broar. Den bredare ER = EPR-hypotesen väcker frågan om hur allmänt detta samband gäller; den gör inte varje sammanflätat par till en användbar tunnel.[19]

Genomkorsbarhet i kontrollerade holografiska modeller

Gao, Jafferis och Wall visade att man genom att koppla samman gränserna i en specifik anti-de Sitter-modell kan få negativt medelvärde av nollenergin och göra dess bro genomkorsbar. Konstruktionen förutsätter en tydligt definierad växelverkan mellan de båda sidorna och bevarar kausaliteten.[20]

Sådana modeller är värdefulla eftersom gravitation och kvantinformation kan studeras med hjälp av kompletterande beskrivningar. Deras randvillkor och växelverkan är en del av fysiken; de ger inte i sig något sätt att öppna en genväg mellan avlägsna platser i vårt universum.[20]

Vad som gjordes i experimentet med en kvantprocessor

Forskarna genomförde 2022 en förenklad kvantmodell med hjälp av en krets med nio kvantbitar och studerade teleportationsdynamik som de tolkade utifrån en gravitationell beskrivning. Experimentet undersökte det föreslagna sambandet mellan kvantdynamik och maskhålsfysik.[21]

Caltech förklarade tydligt att inget verkligt maskhål i rumtiden skapades under experimentet. Det var ett kontrollerat kvantsystem, inte en portal som ett föremål skulle kunna färdas genom.[22]

Författare till senare studier ifrågasatte hur starkt den förenklade modellen underbygger den gravitationella tolkningen; det ursprungliga teamet försvarade experimentets omfattning. Diskussionen gäller tolkningen av modellen, inte en tunnel som observerats öppna sig i laboratoriet.[23], [24]

Forskare beräknar hur hypotetiska geometrier skulle böja ljusets bana eller påverka strålningen från närliggande materia. I vissa modeller kan bilden vara mycket lik bilden av ett svart hål när källan och observatören befinner sig på samma sida. Ljus som kommer genom halsen från den andra sidan kan skapa andra ljusmönster.[25]

Detta är modellprognoser. För att en kontroll ska vara meningsfull måste man ange geometrin, ljuskällan och observationsförhållandena. Enbart en ovanlig ljus ring räcker inte för att identifiera ett maskhål.[25]

Gravitationsvågor erbjuder en annan sökmetod. Vissa modeller av kompakta objekt utan horisont kan efterlikna det inledande stadiet av en svart håls avklingande svängningar, men senare skilja sig från det. Om man hävdar att en skillnad har upptäckts bör den noggrant jämföras med vanliga astrofysikaliska förklaringar, detektorskapade effekter och varje modells grundläggande antaganden.[26]

Ingen bekräftad observation har fastställt att ett genomkorsbart rumtidsmaskhål existerar. Att undersöka en möjlig signal från en viss geometri eller att implementera relaterade ekvationer på en processor är en annan bedrift än att upptäcka själva objektet i naturen.[22]

Ett övertygande förslag måste knyta samman flera delar: rumtidens geometri, en konsekvent energi- och rörelsemängdskälla, ett sätt på vilket en sådan konfiguration skulle kunna uppstå och en beskrivning av hur den reagerar på störningar. Om man lägger till en ytterligare fälttyp eller ändrar gravitationsteorin förändras själva problemet, och nya prövbara förutsägelser uppstår.

Även en matematisk lösning som går att färdas genom skulle inte nödvändigtvis vara bekväm för en resenär. Tidvattenkrafter, strålning, halsens dimensioner och tiden det tar att passera är viktiga. Det är separata frågor från huruvida en sådan väg över huvud taget existerar.[5]

Maskhål är fortfarande användbara för fysiken, eftersom de tvingar oss att ställa precisa frågor om geometri, energi och information. Modeller med tidsloopar gör samma sak inom kausalitet: de visar vilka antaganden som gör det möjligt att förutsäga händelseförlopp och var de vanliga beskrivningarna upphör att vara tillförlitliga.

Science fiction kan ta stabila portaler som utgångspunkt. Fysiken frågar vad som skulle motivera ett sådant antagande och vilka bevis som skulle låta oss identifiera ett sådant objekt i universum.

Rummets och tidens natur

1. Speciell relativitetsteori: tidsdilatation och längdkontraktion
2. Allmän relativitetsteori: gravitation som kröjd rumtid
3. Kvantmekanik: våg-partikeldualitet
4. Kvantfältteori och standardmodellen
5. Svarta hål och händelsehorisonter
6. Maskhål och tidsresor · Du är här
7. Mörk materia: den dolda massan
8. Mörk energi: den accelererande expansionen
9. Gravitationsvågor
10. Mot en enhetlig teori