Особая теория относительности. Это было проклятием исследователей космоса, футуристов и авторов научной фантастики с тех пор, как Альберт Эйнштейн впервые предложил его в 1905 году. Для тех из нас, кто мечтает о том, чтобы люди однажды стали межзвездным видом, этот научный факт похож на мокрое одеяло. К счастью, было предложено несколько теоретических концепций, которые указывают на то, что путешествие быстрее, чем свет (FTL) все еще возможно когда-нибудь.
Популярным примером является идея червоточины: спекулятивная структура, которая связывает две отдаленные точки в пространстве-времени, что позволило бы межзвездному космическому путешествию. Недавно группа ученых из Лиги Плюща провела исследование, в котором указывалось, что «проходимые червоточины» могут стать реальностью. Плохая новость заключается в том, что их результаты указывают на то, что эти червоточины не являются в точности ярлыками и могут быть космическим эквивалентом «идти по длинному пути»!
Первоначально теория червоточин была предложена в качестве возможного решения полевых уравнений теории относительности Эйнштейна (ОТО). Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал теорию в 1915 году, немецкие физики Карл Шварцшильд нашли возможное решение, которое предсказывало бы существование не только черных дыр, но и коридоров, соединяющих их.
К сожалению, Шварцшильд обнаружил, что любая червоточина, соединяющая две черные дыры, разрушится слишком быстро, чтобы что-либо могло пересечь ее с одного конца на другой. Единственный способ, которым они могли бы быть пройдены, был бы, если бы они были стабилизированы существованием экзотической материи с отрицательной плотностью энергии. Даниэль Джафферис, доцент физики Томаса Д. Кэбота в Гарвардском университете, придерживался другого мнения.
Как он описал свой анализ во время апрельской встречи Американского физического общества в Денвере, штат Колорадо, в 2019 году:
«Перспектива проходимых конфигураций червоточины уже давно привлекает внимание. Я опишу первые примеры, которые согласуются в УФ гравитирующей теории гравитации, в которой нет ничего экзотического. Конфигурация предполагает прямое соединение между двумя концами червоточины. Я также расскажу о ее значении для квантовой информации в гравитации, информационного парадокса черной дыры и его связи с квантовой телепортацией ».
Для целей этого исследования Джафферис изучил работу, выполненную Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году. Глядя на работу Шваршильда и других ученых, ищущих решения для ОТО, они предложили возможное существование «мостов» между двумя отдаленными точками в пространство-время (известное как «мосты Эйнштейна-Розена» или «червоточины»), которое теоретически может позволить материи и объектам проходить между ними.
К 2013 году эта теория была использована физиками-теоретиками Леонардом Сасскиндом и Хуаном Малдаценой в качестве возможного разрешения для ОТО и «квантовой запутанности». Эта теория, известная как гипотеза ER = EPR, предполагает, что червоточины являются причиной того, что состояние элементарных частиц может запутаться с состоянием партнера, даже если они разделены миллиардами световых лет.
Именно отсюда Джафферис разработал свою теорию, утверждая, что червоточины действительно могут проходить через легкие частицы (иначе говоря, фотоны). Чтобы проверить это, Jafferis провел анализ с помощью Ping Gao и Aron Wall (аспирант Гарварда и научный сотрудник Стэнфордского университета, соответственно).
Они обнаружили, что хотя теоретически возможно, чтобы свет прошел через червоточину, это не совсем тот космический путь, на который мы все надеялись. Как объяснил Джафферис в заявлении для прессы AIP: «Прохождение этих червоточин занимает больше времени, чем прямое движение, поэтому они не очень полезны для космических путешествий».
В основном результаты их анализа показали, что прямая связь между черными дырами короче, чем у червоточины. Хотя это, безусловно, звучит как плохая новость для людей, которые когда-нибудь будут воодушевлены перспективой межзвездных (и межгалактических) путешествий, хорошая новость заключается в том, что эта теория дает некоторое новое понимание области квантовой механики.
«Реальный смысл этой работы заключается в ее связи с информационной проблемой черной дыры и связями между гравитацией и квантовой механикой», - сказал Яфферис. «Проблема», на которую он ссылается, известна как «парадокс информации о черной дыре», с которым астрофизики боролись с 1975 года, когда Стивен Хокинг обнаружил, что черные дыры имеют температуру и медленно пропускают излучение (иначе говоря, излучение Хокинга).
Этот парадокс касается того, как черные дыры способны сохранять любую информацию, которая передается в них. Даже если любое вещество, скопившееся на их поверхности, будет сжиматься до точки сингулярности, квантовое состояние вещества во время его сжатия будет сохраняться благодаря замедлению времени (оно замораживается во времени).
Но если черные дыры теряют массу в виде излучения и в конечном итоге испаряются, эта информация в конечном итоге будет потеряна. Развивая теорию, посредством которой свет может проходить через черную дыру, это исследование могло бы стать средством разрешения этого парадокса. Вместо того, чтобы излучать черные дыры, представляющие потерю массы-энергии, возможно, что излучение Хокинга действительно исходит из другой области пространства-времени.
Это может также помочь ученым, которые пытаются разработать теорию, которая объединяет гравитацию с квантовой механикой (иначе говоря, квантовая гравитация или «Теория всего»). Это связано с тем, что Джафферис использовал инструменты квантовой теории поля, чтобы постулировать существование проходимых черных дыр, что устраняет необходимость в экзотических частицах и отрицательной массе (которые кажутся несовместимыми с квантовой гравитацией). Как объяснил Яфферис:
«Это дает причинный анализ областей, которые в противном случае были бы за горизонтом, окно для опыта наблюдателя внутри пространства-времени, доступного извне. Я думаю, что это научит нас глубоким вещам о соответствии калибровки и гравитации, квантовой гравитации и даже, возможно, о новом способе формулирования квантовой механики ».
Как всегда, прорывами в теоретической физике может стать обоюдоострый меч, отдающий одной рукой и отнимающий другой. Таким образом, хотя это исследование могло пролить больше холодной воды на мечту о путешествии по FTL, оно вполне может помочь нам раскрыть некоторые из более глубоких загадок Вселенной. Кто знает? Возможно, некоторые из этих знаний позволят нам обойти этот камень преткновения, известный как Специальная теория относительности!
