Οι σκουληκότρυπες απεικονίζονται συνήθως ως κοσμικά περάσματα που συνδέουν απομακρυσμένα σημεία του διαστήματος ή ακόμα και διαφορετικές χρονικές στιγμές. Ωστόσο, αυτή η δημοφιλής εικόνα πηγάζει από μια παρερμηνεία παλαιότερων εργασιών των φυσικών Άλμπερτ Αϊνστάιν και Νέιθαν Ρόζεν.
Το 1935, ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν δεν προσπαθούσαν να περιγράψουν διαστρικές συντομεύσεις. Εξέταζαν πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια υπό ακραίες βαρυτικές συνθήκες, όταν πρότειναν αυτό που ονόμασαν «γέφυρα».
Αυτή η έννοια περιγράφει μια μαθηματική σύνδεση ανάμεσα σε δύο πανομοιότυπες, κατοπτρικές εκδοχές του χωροχρόνου. Ο σκοπός της ήταν να διατηρήσει τη συνέπεια μεταξύ της γενικής σχετικότητας και των αναδυόμενων ιδεών της κβαντικής φυσικής, και όχι να δημιουργήσει μια διαδρομή για ταξίδια.
Η σύνδεση μεταξύ των γεφυρών Αϊνστάιν-Ρόζεν και των σκουληκοτρυπών αναπτύχθηκε αργότερα, παρόλο που απέκλινε από την αρχική πρόθεση.
Τι έδειξε πρόσφατη έρευνα
Σε πρόσφατη έρευνα, οι μελετητές επανεξέτασαν αυτή την ιδέα και υποστηρίζουν ότι η γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν υποδηλώνει κάτι πολύ πιο θεμελιώδες από μια υποθετική σήραγγα μέσα στον χώρο. Το αίνιγμα που προσπαθούσαν να λύσουν ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν δεν αφορούσε ποτέ τα διαστημικά ταξίδια, αλλά το πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά πεδία στον καμπυλωμένο χωρόχρονο.
Ερμηνευμένη με αυτόν τον τρόπο, η γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν λειτουργεί ως ένας καθρέφτης στον χωρόχρονο: μια σύνδεση ανάμεσα σε δύο μικροσκοπικά «βέλη του χρόνου». Η κβαντομηχανική διέπει τη φύση στις μικρότερες κλίμακες, όπως τα σωματίδια, ενώ η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν εφαρμόζεται στη βαρύτητα και τον χωρόχρονο.
Η συμφιλίωση των δύο παραμένει μία από τις βαθύτερες προκλήσεις της φυσικής. Και το συναρπαστικό είναι ότι η επανερμηνεία των επιστημόνων ίσως προσφέρει έναν δρόμο για να την επίτευξή της.
Η παρεξηγημένη κληρονομιά της «σκουληκότρυπας»
Η ερμηνεία της «σκουληκότρυπας» αναδύθηκε δεκαετίες μετά το έργο των Αϊνστάιν και Ρόζεν, όταν οι φυσικοί άρχισαν να εικάζουν για τη διέλευση από τη μία πλευρά του χωροχρόνου στην άλλη, με πιο αξιοσημείωτη την έρευνα στα τέλη της δεκαετίας του 1980. Όμως, εκείνες αναλύσεις κατέστησαν επίσης σαφές πόσο υποθετική ήταν αυτή η ιδέα: εντός της γενικής σχετικότητας, ένα τέτοιο ταξίδι απαγορεύεται.
Η γέφυρα «στραγγαλίζεται» (καταρρέει) ταχύτερα από όσο θα χρειαζόταν το φως για να τη διασχίσει, καθιστώντας την μη διελεύσιμη. Ως εκ τούτου, οι γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν είναι ασταθείς και μη παρατηρήσιμες — αποτελούν μαθηματικές δομές και όχι πύλες.
Παρ’ όλα αυτά, η μεταφορά της «σκουληκότρυπας» άνθησε στη λαϊκή κουλτούρα και τη θεωρητική φυσική των υποθέσεων.
Η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συνδέουν απομακρυσμένες περιοχές του σύμπαντος —ή ακόμα και να λειτουργούν ως χρονομηχανές— ενέπνευσε αμέτρητες επιστημονικές εργασίες, βιβλία και ταινίες.
Ωστόσο, δεν υπάρχουν παρατηρησιακές αποδείξεις για μακροσκοπικές σκουληκότρυπες, ούτε κάποιος πειστικός θεωρητικός λόγος για αυτές εντός της θεωρίας του Αϊνστάιν.
Αν και έχουν προταθεί υποθετικές επεκτάσεις της φυσικής —όπως εξωτικές μορφές ύλης ή τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας— για να υποστηρίξουν τέτοιες δομές, αυτές παραμένουν ανεπιβεβαίωτες και σε μεγάλο βαθμό εικοτολογικές.
Δύο βέλη του χρόνου
Η πρόσφατη έρευνα επανεξετάζει το αίνιγμα της γέφυρας Αϊνστάιν-Ρόζεν χρησιμοποιώντας μια σύγχρονη κβαντική ερμηνεία του χρόνου, βασισμένη σε ιδέες που ανέπτυξαν οι Sravan Kumar και João Marto.
Οι περισσότεροι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής δεν κάνουν διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος, ή μεταξύ αριστερού και δεξιού.
Αν ο χρόνος ή ο χώρος αντιστραφούν στις εξισώσεις τους, οι νόμοι παραμένουν έγκυροι. Αν πάρουμε σοβαρά αυτές τις συμμετρίες, οδηγούμαστε σε μια διαφορετική ερμηνεία της γέφυρας Αϊνστάιν-Ρόζεν.
Αντί για μια σήραγγα μέσα στον χώρο, μπορεί να νοηθεί ως δύο συμπληρωματικά στοιχεία μιας κβαντικής κατάστασης. Στο ένα, ο χρόνος ρέει προς τα εμπρός· στο άλλο, ρέει προς τα πίσω από την κατοπτρικά ανακλώμενη θέση του.
Αυτή η συμμετρία δεν αποτελεί φιλοσοφική προτίμηση.
Από τη στιγμή που αποκλείονται οι απειρισμοί, η κβαντική εξέλιξη πρέπει να παραμένει πλήρης και αντιστρεπτή στο μικροσκοπικό επίπεδο — ακόμη και παρουσία της βαρύτητας. Η «γέφυρα» εκφράζει το γεγονός ότι και οι δύο συνιστώσες του χρόνου είναι απαραίτητες για την περιγραφή ενός πλήρους φυσικού συστήματος.
Σε συνηθισμένες καταστάσεις, οι φυσικοί αγνοούν τη συνιστώσα του αντεστραμμένου χρόνου, επιλέγοντας ένα μόνο «βέλος του χρόνου». Όμως, κοντά σε μαύρες τρύπες, ή σε σύμπαντα που διαστέλλονται και συστέλλονται, πρέπει να συμπεριληφθούν και οι δύο κατευθύνσεις για μια συνεπή κβαντική περιγραφή.
Εκεί ακριβώς ανακύπτουν φυσικά οι γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν.
Λύνοντας το παράδοξο της πληροφορίας
Σε μικροσκοπικό επίπεδο, η γέφυρα επιτρέπει στην πληροφορία να διέλθει μέσα από αυτό που σε εμάς εμφανίζεται ως ορίζοντας γεγονότων – ένα σημείο χωρίς επιστροφή. Η πληροφορία δεν εξαφανίζεται· συνεχίζει να εξελίσσεται, αλλά κατά μήκος της αντίθετης, κατοπτρικής χρονικής κατεύθυνσης.
Αυτό το πλαίσιο προσφέρει μια φυσική επίλυση στο περίφημο παράδοξο της πληροφορίας των μαύρων τρυπών.
Το 1974, ο Στίβεν Χόκινγκ έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν θερμότητα και μπορούν τελικά να εξατμιστούν, διαγράφοντας φαινομενικά κάθε πληροφορία σχετικά με το τι έπεσε μέσα σε αυτές — γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με την κβαντική αρχή ότι η εξέλιξη πρέπει να διατηρεί την πληροφορία.
Το παράδοξο ανακύπτει μόνο εάν επιμείνουμε να περιγράφουμε τους ορίζοντες γεγονότων χρησιμοποιώντας ένα μοναδικό, μονόπλευρο βέλος του χρόνου που προεκτείνεται στο άπειρο — μια υπόθεση που η ίδια η κβαντομηχανική δεν απαιτεί.
Εάν η πλήρης κβαντική περιγραφή περιλαμβάνει και τις δύο κατευθύνσεις του χρόνου, τίποτα δεν χάνεται πραγματικά. Η πληροφορία εγκαταλείπει τη δική μας χρονική κατεύθυνση και επανεμφανίζεται κατά μήκος της αντίστροφης.
Η πληρότητα και η αιτιοκρατία διατηρούνται, χωρίς να απαιτείται η επίκληση εξωτικής νέας φυσικής. Αυτές οι ιδέες είναι δύσκολο να γίνουν κατανοητές, επειδή είμαστε μακροσκοπικά όντα που βιώνουν μόνο μία κατεύθυνση του χρόνου.
Στις καθημερινές κλίμακες, η αταξία —ή εντροπία— τείνει να αυξάνεται. Μια εξαιρετικά οργανωμένη κατάσταση εξελίσσεται φυσικά σε μια άτακτη κατάσταση, ποτέ το αντίστροφο.
Αυτό μας δίνει ένα «βέλος του χρόνου».
Όμως η κβαντομηχανική επιτρέπει μια πιο λεπτή συμπεριφορά. Είναι ενδιαφέρον ότι μπορεί να υπάρχουν ήδη ενδείξεις για αυτήν την κρυφή δομή.
Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου —το κατάλοιπο της Μεγάλης Έκρηξης— εμφανίζει μια μικρή αλλά επίμονη ασυμμετρία: μια προτίμηση για έναν συγκεκριμένο χωρικό προσανατολισμό έναντι του κατοπτρικού του ειδώλου.
Αυτή η ανωμαλία προβληματίζει τους κοσμολόγους εδώ και δύο δεκαετίες.
Τα καθιερωμένα μοντέλα της αποδίδουν εξαιρετικά χαμηλή πιθανότητα — εκτός εάν συμπεριληφθούν κατοπτρικές κβαντικές συνιστώσες.
Απόηχοι ενός προγενέστερου σύμπαντος;
Αυτή η εικόνα συνδέεται φυσικά με μια βαθύτερη πιθανότητα. Αυτό που ονομάζουμε «Μεγάλη Έκρηξη» (Big Bang) μπορεί να μην ήταν η απόλυτη αρχή, αλλά μια «αναπήδηση» (bounce) — μια κβαντική μετάβαση ανάμεσα σε δύο χρονικά αντεστραμμένες φάσεις της κοσμικής εξέλιξης.
Σε ένα τέτοιο σενάριο, οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να λειτουργούν ως γέφυρες όχι μόνο μεταξύ χρονικών κατευθύνσεων, αλλά και μεταξύ διαφορετικών κοσμολογικών εποχών. Το σύμπαν μας θα μπορούσε να είναι το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας που σχηματίστηκε σε ένα άλλο, «γονικό» σύμπαν.
Αυτό θα μπορούσε να έχει προκύψει καθώς μια κλειστή περιοχή του χωροχρόνου κατέρρευσε, αναπήδησε και άρχισε να διαστέλλεται ως το σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα. Εάν αυτή η εικόνα είναι σωστή, προσφέρει επίσης έναν τρόπο ώστε οι παρατηρήσεις να δώσουν την απάντηση.
Κατάλοιπα από τη φάση πριν από την αναπήδηση —όπως μικρότερες μαύρες τρύπες— θα μπορούσαν να επιβιώσουν της μετάβασης και να επανεμφανιστούν στο διαστελλόμενο σύμπαν μας.
Μέρος της αόρατης ύλης που αποδίδουμε στη σκοτεινή ύλη θα μπορούσε, στην πραγματικότητα, να αποτελείται από τέτοια κατάλοιπα.
Σύμφωνα με αυτή την οπτική, η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) εξελίχθηκε από συνθήκες μιας προηγηθείσας συστολής.
Οι σκουληκότρυπες δεν είναι απαραίτητες: η γέφυρα είναι χρονική και όχι χωρική — και η Μεγάλη Έκρηξη μετατρέπεται σε πύλη και όχι σε απαρχή. Αυτή η επανερμηνεία των γεφυρών Αϊνστάιν-Ρόζεν δεν προσφέρει συντομεύσεις ανάμεσα σε γαλαξίες, ούτε ταξίδια στον χρόνο, ούτε σκουληκότρυπες επιστημονικής φαντασίας ή υπερχώρο.
Αυτό που προσφέρει είναι κάτι πολύ βαθύτερο: μια συνεπή κβαντική εικόνα της βαρύτητας, στην οποία ο χωρόχρονος ενσαρκώνει μια ισορροπία ανάμεσα σε αντίθετες κατευθύνσεις του χρόνου — και όπου το σύμπαν μας μπορεί να είχε μια ιστορία πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Δεν ανατρέπει τη σχετικότητα του Αϊνστάιν ή την κβαντική φυσική — τις συμπληρώνει.
Η επόμενη επανάσταση στη φυσική μπορεί να μη μας ταξιδέψει ταχύτερα από το φως, αλλά θα μπορούσε να αποκαλύψει ότι ο χρόνος, βαθιά μέσα στον μικροσκοπικό κόσμο και σε ένα σύμπαν που «αναπηδά», ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις.
