DENVER - Onderzoekers hebben een nieuwe, onuitsprekelijk gevaarlijke en ongelooflijk trage methode ontwikkeld om het universum over te steken. Het gaat om wormgaten die speciale zwarte gaten verbinden die waarschijnlijk niet bestaan. En het zou kunnen verklaren wat er werkelijk aan de hand is wanneer natuurkundigen kwantumteleporteren van informatie van het ene punt naar het andere - vanuit het perspectief van het geteleporteerde stukje informatie.
Daniel Jafferis, natuurkundige aan de Harvard University, beschreef de voorgestelde methode tijdens een lezing op 13 april hier tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society. Deze methode, vertelde hij zijn geassembleerde collega's, omvat twee zwarte gaten die verstrikt zijn, zodat ze door ruimte en tijd met elkaar verbonden zijn.
Wat is een wormgat?
Hun idee lost een al lang bestaand probleem op: wanneer iets een wormgat binnengaat, heeft het negatieve energie nodig om de andere kant te verlaten. (Onder normale omstandigheden maakt de vorm van ruimte-tijd bij de uitgang van een wormgat het onmogelijk om er doorheen te gaan. Maar een stof met negatieve energie zou in theorie dat obstakel kunnen overwinnen.) Maar niets in de fysica van zwaartekracht en ruimte-tijd - de fysica die wormgaten beschrijft - zorgt voor dat soort pulsen met negatieve energie. Dus wormgaten zijn onmogelijk om er echt doorheen te gaan.
"Het is gewoon een verbinding in de ruimte, maar als je er doorheen probeert te komen, stort het te snel in zodat je er niet doorheen kunt komen", vertelde Jafferis WordsSideKick.com na zijn lezing.
Dit oudere model van wormgat stamt uit een paper van Albert Einstein en Nathan Rosen, gepubliceerd in Physical Review in 1935. De twee natuurkundigen realiseerden zich dat relativiteitstheorie onder bepaalde omstandigheden zou dicteren dat ruimte-tijd zo extreem zou krommen dat een soort tunnel (of "brug") zou het verbinden van twee afzonderlijke punten vormen.
De natuurkundigen schreven het artikel gedeeltelijk om de mogelijkheid van zwarte gaten in het universum uit te sluiten. Maar in de decennia daarna, toen natuurkundigen zich realiseerden dat er zwarte gaten bestaan, werd het standaardbeeld van een wormgat een tunnel waar de twee openingen verschijnen als zwarte gaten. Echter, volgens dit idee zou een tunnel waarschijnlijk nooit van nature in het universum bestaan, en als het wel bestond, zou het verdwijnen voordat er iets doorheen zou gaan. In de jaren tachtig schreef de natuurkundige Kip Thorne dat er iets door dit wormgat zou kunnen gaan als er een soort negatieve energie werd toegepast om het wormgat open te houden.
Quantumverstrengeling
Jafferis heeft samen met de Harvard-fysicus Ping Gao en de Stanford-fysicus Aron Wall een manier ontwikkeld om een versie van negatieve energie toe te passen die berust op een idee uit een heel ander natuurkundig gebied, verstrengeling genoemd.
Verstrengeling komt voort uit de kwantummechanica, niet uit relativiteit. In 1935 publiceerden Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen nog een paper in Physical Review, waarin werd aangetoond dat volgens de regels van de kwantummechanica deeltjes met elkaar "gecorreleerd" kunnen worden, zodat het gedrag van het ene deeltje het gedrag van een ander direct beïnvloedt.
Einstein, Podolsky en Rosen dachten dat dit bewees dat er iets mis was met hun ideeën over de kwantummechanica, omdat informatie hierdoor sneller zou kunnen bewegen dan de lichtsnelheid tussen de twee deeltjes. Nu weten natuurkundigen dat verstrengeling echt is, en kwantumteleportatie is een bijna routineonderdeel van natuurkundig onderzoek.
Zo werkt kwantumteleportatie: Verstrik twee lichtdeeltjes, A en B. Geef B vervolgens aan je vriend om een andere kamer binnen te gaan. Vervolgens bash een derde foton, C, tegen foton A. Dat verstrengelt A en C, en verbreekt de verstrengeling tussen A en B. Je kunt dan de gecombineerde toestand van A en C meten - die verschilt van de oorspronkelijke toestanden van A, B of C - en communiceer de resultaten van de gecombineerde deeltjes met je vriend in de volgende kamer.
Zonder de toestand van B te kennen, kan je vriend die beperkte informatie vervolgens gebruiken om B te manipuleren om het toestanddeeltje C te produceren dat aan het begin van het proces was. Als ze B meet, leert ze de oorspronkelijke staat C, zonder dat iemand het haar vertelt. Informatie over deeltje C teleporteerde functioneel van de ene kamer naar de andere.
Dit is handig omdat het kan fungeren als een soort onkraakbare code voor het verzenden van berichten van het ene punt naar het andere.
En verstrengeling is niet alleen een eigenschap van individuele deeltjes. Grotere objecten kunnen ook verstrikt raken, hoewel een perfecte verstrengeling tussen hen veel moeilijker is.
Verstrikte zwarte gaten kunnen je vervoeren
In 1935 hadden de natuurkundigen die deze artikelen schreven geen flauw idee dat wormgaten en verstrengeling met elkaar verbonden waren, zei Jafferis. Maar in 2013 publiceerden natuurkundigen Juan Maldacena en Leonard Susskind een paper in het tijdschrift Progress in Physics waarin de twee ideeën met elkaar in verband werden gebracht. Twee perfect met elkaar verweven zwarte gaten zouden volgens hen als een wormgat tussen hun twee punten in de ruimte fungeren. Ze noemden het idee "ER = EPR", omdat het het Einstein-Rosen-papier koppelde aan het Einstein-Podolsky-Rosen-papier.
Op de vraag of er werkelijk twee volledig met elkaar verweven zwarte gaten in het universum zouden kunnen bestaan, zei Jafferis: 'Nee, nee, zeker niet.'
Het is niet zo dat de situatie fysiek onmogelijk is. Het is gewoon te nauwkeurig en enorm om ons rommelige universum te produceren. Het produceren van twee perfect verstrengelde zwarte gaten zou zijn als het winnen van de loterij, slechts ontelbare malen minder waarschijnlijk.
En als ze bestonden, zei hij, zouden ze hun perfecte correlatie verliezen op het moment dat een derde object met een van hen in aanraking kwam.
Maar als op de een of andere manier zo'n paar ergens zou bestaan, dan zou de methode van Jafferis, Gao en Wall kunnen werken.
Hun aanpak, voor het eerst gepubliceerd in The Journal of High Energy Physics in december 2017, gaat als volgt: gooi je vriend in een van de verstrengelde zwarte gaten. Meet vervolgens de zogenaamde Hawking-straling die uit het zwarte gat komt, die informatie codeert over de toestand van dat zwarte gat. Breng die informatie vervolgens naar het tweede zwarte gat en gebruik het om het tweede zwarte gat te manipuleren. (Dit kan zo simpel zijn als het storten van een stel Hawking-straling van het eerste zwarte gat in het tweede.) In theorie zou je vriend precies uit het tweede zwarte gat moeten springen net zoals ze het eerste betrad.
Vanuit zijn perspectief, zei Jafferis, zou ze in een wormgat zijn gedoken. En toen ze de eigenheid bij haar nek naderde, zou ze een 'puls' van negatieve energie hebben ervaren die haar de andere kant uit zou hebben gedreven.
De methode is niet bijzonder nuttig, zei Jafferis, omdat deze altijd langzamer zou zijn dan alleen het fysiek verplaatsen van de afstand tussen de twee zwarte gaten. Maar het suggereert wel iets over het universum.
Vanuit het perspectief van een beetje informatie die tussen verstrengelde deeltjes gaat, zei Jafferis, zou er iets soortgelijks kunnen gebeuren. Op de schaal van individuele kwantumobjecten, zei hij, heeft het niet echt zin om te praten over kromming van ruimte en tijd om een wormgat te produceren. Maar betrek nog een paar deeltjes in de mix voor een iets complexer stukje kwantumteleportatie, en plotseling is het wormgatmodel heel logisch. Er is hier sterk bewijs, zei hij, dat de twee verschijnselen met elkaar verband houden.
Het suggereert ook sterk, zei hij, dat informatie die verloren is gegaan door een zwart gat, ergens heen zou kunnen gaan waar het ooit zou kunnen worden opgehaald.
Als je morgen in een zwart gat valt, zei hij, is alle hoop niet verloren. Een voldoende geavanceerde beschaving zou in staat kunnen zijn om door het universum te zoomen, waarbij alle Hawking-straling die door het zwarte gat wordt uitgezonden, wordt verzameld terwijl het langzaam verdampt over aionen, en die straling comprimeert tot een nieuw zwart gat, verstrikt in het origineel in de loop van de tijd. Zodra dat nieuwe zwarte gat is ontstaan, is het misschien mogelijk om je eruit te halen.
Theoretisch onderzoek naar deze methode om tussen zwarte gaten te bewegen, zei Jafferis, is aan de gang. Maar het doel is meer om de fundamentele fysica te begrijpen dan om reddingsoperaties uit te voeren. Dus misschien is het het beste om het niet te riskeren.
