آیا کرمچاله ها یک بن بست علمی هستند؟

برای نقل قول از پاسخ یک اخترفیزیکدان به سوال یک دانشجوی جوان، یک کرم چاله "مانند تونلی است بین دو نقطه دور در جهان ما که زمان سفر را از یک نقطه به نقطه دیگر قطع می کند." اگر کرم‌چاله‌ها وجود داشته باشند، می‌توانند مانند یک ماشین زمان باشند، یا اگر دانشمند هستید، به چالش‌برانگیزترین سوالات در مورد ماهیت واقعی جهان ما پاسخ دهید. اما در واقعیت، دانشمندان هنوز هیچ کرمچاله واقعی را پیدا نکرده اند – با این فرض که هنوز در تلاش برای یافتن آن هستند.

در اینجا در Giz، همه ما به دنبال احیای Y2K به فیزیک نظری هستیم. همانطور که Giz Asks قبلی در مورد نظریه ریسمان می پرسد، یک "مورد سرد" آشکار در علم رایج لزوما به این معنی نیست که خود دانشمندان از این ایده دست کشیده اند. مطمئنا، ممکن است همه چیز به اندازه چیزهای موجود در مستندهای قدیمی و رمان های علمی تخیلی جذاب نباشد - اما پیشرفت اشکال مختلفی دارد.

برای این Giz Asks، از دانشمندان پرسیدیم که آیا تحقیق در مورد کرمچاله ها به بن بست علمی رسیده است یا خیر. یعنی صرف نظر از اینکه ما فکر می‌کنیم کرمچاله‌ها وجود دارند، آیا در حال حاضر ابزاری برای کشف کامل این مفهوم داریم؟ برای غلبه بر آن چالش ها به چه نوع پیشرفت های نظری یا تجربی نیاز داریم؟

یا این که تحقیقات به حوزه‌های مرتبط و در عین حال متمایز، مانند گرانش کوانتومی منشعب شده است. و شاید عبارت "بن بست" روشی ناعادلانه برای توصیف یک رشته پر رونق باشد. اگر چنین است، چه تحولات قابل توجهی وجود دارد که باید مراقب آنها باشیم؟

پاسخ‌های زیر ممکن است برای وضوح کمی ویرایش و فشرده شده باشند.

کیهان شناس در دانشگاه پورتسموث در بریتانیا

من فکر نمی کنم کرمچاله ها یک بن بست علمی باشند. من فکر می کنم آنچه تغییر کرده است چیزی است که ما انتظار داریم آنها برای آن مفید باشند. تصویر محبوب یک کرم چاله به عنوان تونلی در فضازمان است که ممکن است روزی کسی از آن عبور کند. این امکان با مشکلات بزرگی مواجه است. پل اصلی انیشتین-رزن مرتبط با سیاهچاله قابل عبور نیست و باز نگه داشتن یک کرم چاله ماکروسکوپی معمولا به اشکال بسیار غیرعادی انرژی استرس نیاز دارد. ما همچنین هیچ مدرک رصدی مبنی بر وجود چنین اشیایی نداریم.

اما از دیدگاه فیزیک بنیادی، کرمچاله‌ها به جای اینکه کمتر جالب باشند، احتمالا جالب‌تر شده‌اند. نقش آنها از سیستم های حمل و نقل گمانه زنی به سمت پرسش هایی در مورد گرانش کوانتومی، افق ها، درهم تنیدگی و اطلاعات تغییر کرده است.

یکی از برجسته‌ترین پیشرفت‌ها این ایده است که معمولا به صورت ER=EPR خلاصه می‌شود: اینکه پل انیشتین-رزن که دو منطقه سیاه‌چاله را به هم متصل می‌کند ممکن است عمیقا به درهم‌تنیدگی کوانتومی بین آنها مرتبط باشد. این که آیا این شناسایی در نهایت اساسی است یا نه، این سوال را تغییر می دهد. کرمچاله ممکن است در اصل چیزی نباشد که به ماده اجازه دهد از مکانی به مکان دیگر سفر کند. در عوض ممکن است به ما بگوید که چگونه مناطق مجزای از فضازمان به یک حالت کوانتومی واحد تعلق دارند.

این احتمال به ویژه برای مشکل اطلاعات سیاهچاله جالب است. نسبیت عام کلاسیک فضازمان را به مناطقی تقسیم می‌کند که توسط افق‌ها از هم جدا شده‌اند، در حالی که مکانیک کوانتومی اصرار دارد که تکامل کامل باید واحد بماند. کرم‌چاله‌ها و پل‌های انیشتین-رزن، زبان هندسی را ارائه می‌کنند که در آن اطلاعاتی که از یک منطقه نیمه کلاسیک غیرقابل دسترس به نظر می‌رسد، همچنان می‌تواند به یک توصیف کوانتومی جهانی بزرگ‌تر تعلق داشته باشد.

بنابراین می‌توانم بگویم که تحقیقات کرم‌چاله‌ها به اندازه مهاجرت متوقف نشده است. اگر سوال این است که «آیا به ساخت تونلی به کهکشانی دیگر نزدیک‌تر می‌شویم؟»، احتمالا نه. اگر سوال این است که "آیا کرمچاله ها به ما کمک می کنند تا بفهمیم فضا-زمان، اطلاعات کوانتومی و گرانش چگونه با هم تطابق دارند؟" سپس آنها بسیار زنده می مانند.

علاقه خود من با این تفسیر دوم ارتباط نزدیک دارد. من در حال بررسی این هستم که آیا یک توصیف کوانتومی کامل از سیاهچاله‌ها و پرش‌های کیهانی ممکن است به بخش‌های فضازمان مکمل نیاز داشته باشد که از منظر ناظر کلاسیک جدا به نظر می‌رسند اما متعلق به یک حالت کوانتومی جهانی هستند. از این منظر، اهمیت پایدار پل انیشتین-رزن ممکن است کمتر به عنوان یک گذر از فضا باشد تا به عنوان سرنخی که تصویر کلاسیک ما تنها بخشی از هندسه کامل را شامل می شود.

جالب است که این ایده حتی ممکن است یک ارتباط مشاهده ای داشته باشد. بزرگ‌ترین مقیاس‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، ترجیح قابل اندازه‌گیری بین برابری زوج و فرد را نشان می‌دهند. در کارم، من در حال بررسی هستم که آیا این عدم تقارن برابری می‌تواند فسیلی از یک حالت کوانتومی متقارن PT باشد، که در آن جهت‌گیری‌های مکانی و زمانی متضاد به یک توصیف کامل تعلق دارند، اما جهان کلاسیکی که مشاهده می‌کنیم تنها به یک شاخه مربوط می‌شود.

اگر این تفسیر درست باشد، CMB ممکن است قبلا حاوی ردپایی رصدی از نوع تکمیل کوانتومی باشد که کرم‌چاله‌ها و پل‌های انیشتین-رزن ما را تشویق می‌کنند درباره آن فکر کنیم.

از این نظر، کرم‌چاله‌ها ممکن است به هیچ وجه جاده‌ای در فضا-زمان نباشند. آنها ممکن است چیزهای اساسی تری در مورد چیستی فضازمان به ما بگویند.

فیزیکدان نظری در موسسه مطالعات پیشرفته و برنده افتتاحیه جایزه پیشرفت در فیزیک بنیادی.

کرم‌چاله‌هایی که به شما امکان می‌دهند سریع‌تر از نور در فضای محیط سفر کنید، توسط اصول اولیه نسبیت عام و مکانیک کوانتومی مجاز نیستند. بنابراین، وجود آنها بعید است.

تنوع زیادی از کرم‌چاله‌های دیگر وجود دارد که منجر به اثرات فیزیکی بسیار جالبی می‌شوند یا برای محاسبات خاص مفید هستند. برخی از این کرم چاله ها ارتباط نزدیکی با درهم تنیدگی کوانتومی دارند.

فیزیکدان نظری در دانشگاه مدیترانه شرقی در قبرس شمالی.

پاسخ من منفی است: من کرمچاله ها را یک بن بست علمی نمی دانم. آنها همچنان یک سوال باز در مورد آنچه گرانش اجازه می دهد و ابزار مفیدی برای کاوش رابطه بین فضازمان و فیزیک کوانتومی باقی می ماند. با این حال، ما باید ارزش نظری آنها را از شواهد وجود آنها متمایز کنیم. ما در حال حاضر هیچ مشاهده تایید شده ای از یک کرم چاله اخترفیزیکی نداریم.

مانع اصلی سازگاری فیزیکی است. نوشتن معادلاتی که یک کرمچاله را توصیف می کند، مشخص نمی کند که چگونه طبیعت می تواند یک کرم چاله را تشکیل دهد، از آن حمایت کند یا هنگامی که ماده از آن عبور می کند، آن را ثابت نگه دارد. در نسبیت عام معمولی، کرمچاله های قابل عبور به شرایط انرژی غیرعادی در نزدیکی گلوی خود نیاز دارند. میدان های کوانتومی می توانند انرژی منفی از خود نشان دهند، اما این با محدودیت هایی همراه است. فورد و رومن نشان دادند که چگونه مرزهای انرژی کوانتومی بسیاری از هندسه‌های کرم‌چاله پیشنهادی را به شدت محدود می‌کنند.

اینها موانع اساسی هستند، اگرچه نباید آنها را به عنوان یک مدرک جهانی برای ممنوعیت هر کرمچاله احتمالی در نظر گرفت.

تحقیقات همچنین ارتباط قوی با گرانش کوانتومی و اطلاعات کوانتومی ایجاد کرده است. به عنوان مثال، گائو، جافریس و وال نشان دادند که اثرات کوانتومی می‌تواند یک کرم چاله را در یک محیط گرانشی خاص با تعامل بین مرزهای آن قابل عبور کند. Maldacena، Milekhin و Popov متعاقبا یک مدل چهار بعدی ساختند که توسط اثرات کوانتومی پشتیبانی می شود. این نتایج احتمالات را تحت مفروضات خاص ایجاد می کند. آنها دستور العمل عملی برای ساختن کرمچاله ارائه نمی دهند.

آزمایش پردازنده کوانتومی 2022 جهت دیگری را نشان می دهد. محققان دینامیک اطلاعات کوانتومی را که از طریق توصیف کرم‌چاله تفسیر می‌شد، مطالعه کردند. آنها یک تونل فیزیکی در فضازمان ما ایجاد نکردند. چنین آزمایش‌هایی راهی برای بررسی جنبه‌های ارتباط پیشنهادی بین گرانش و درهم‌تنیدگی، با محدودیت‌های مهم ناشی از سیستم‌های کوچک درگیر ارائه می‌دهند.

کار بر روی امضاهای احتمالی نجومی نیز ادامه دارد. در مقاله اخیرم با رجی پانتیگ، مطالعه کردیم که چگونه پلاسمای اطراف می تواند بر حلقه های فوتونی یک مدل کرمچاله خاص تأثیر بگذارد. یک درس مهم این است که یک امضای پیشنهادی می تواند به محیط و همچنین هندسه فضا-زمان بستگی داشته باشد. بنابراین، یک تصویر غیرمعمول به تنهایی نیاز به تفسیر دقیق قبل از نسبت دادن به کرم چاله دارد.

من در مورد تفسیر کاهش هیجان عمومی به عنوان کاهش اهمیت علمی محتاط خواهم بود. به نظر من، پیشرفت معنادار نیازمند مدل‌هایی است که یک مکانیسم حمایتی معتبر را با شکل‌گیری، ثبات و پیش‌بینی‌هایی که می‌توانند در برابر توضیحات رقیب آزمایش شوند، مرتبط می‌سازند. مشاهدات بهتر و آزمایش‌های کوانتومی بزرگ‌تر می‌توانند کمک کنند، اما کار نظری نیز به همان اندازه ضروری است. حتی ایجاد محدودیت‌های محکمی که کرم‌چاله‌ها می‌توانند وجود داشته باشند، چیز ارزشمندی در مورد گرانش به ما می‌آموزد.

Giz Asks یک مجموعه تکراری Gizmodo است که در آن کارشناسان به سوالات بزرگ به زبان خودشان پاسخ می‌دهند و طیف وسیعی از دیدگاه‌ها را در مورد ایده‌ها، اکتشافات و بحث‌هایی ارائه می‌دهند که بر زندگی ما تأثیر می‌گذارند و درک ما از جهان را شکل می‌دهند.