Wormholi jsou často představovány jako tunely skrz prostor nebo čas — zkratky napříč vesmírem. Ale tato představa vychází z nepochopení práce fyziků Alberta Einsteina a Nathana Rosena.
V roce 1935, při studiu chování částic v oblastech extrémní gravitace, Einstein a Rosen představili to, co nazvali „mostem“: matematické spojení mezi dvěma dokonale symetrickými kopiemi časoprostoru. Tento koncept nebyl určen jako cesta pro cestování, ale jako způsob, jak udržet konzistenci mezi gravitací a kvantovou fyzikou. Teprve později se mosty Einstein-Rosen začaly spojovat s wormholi, přestože měly příliš málo společného s původní myšlenkou.
Nový výzkum, kterého se účastním spolu s mými kolegy, ukazuje, že původní most Einstein-Rosen ukazuje na něco mnohem podivnějšího — a fundamentálnějšího — než jednoduchý wormhol.
Hádanka mostu Einstein-Rosen
Hádankou, kterou se Einstein a Rosen snažili vyřešit, nebylo nikdy cestování v prostoru, ale to, jak kvantová pole reagují v zakřiveném časoprostoru. Když je tento pohled správně interpretován, most Einstein-Rosen funguje jako zrcadlo v časoprostoru: spojení mezi dvěma mikroskopickými šipkami času.
Kvantová mechanika řídí přírodu na nejmenších škálách, jako jsou částice, zatímco Einsteinova teorie obecné relativity se vztahuje na gravitaci a časoprostor. Urovnání těchto dvou teorií zůstává jednou z nejhlubších výzev fyziky. A co je vzrušující, naše reinterpretace může nabídnout cestu k vyřešení tohoto problému.
Nepochopené dědictví
Interpretace „wormholu“ se objevila desetiletí po práci Einsteina a Rosena, když fyzikové spekulovali o přechodu z jedné strany časoprostoru na druhou, zejména během výzkumu ze 80. let. Ale tyto analýzy také jasně ukázaly, jak spekulativní byla tato myšlenka: v rámci obecné relativity je taková cesta zakázaná. Most se uzavírá rychleji, než by ho světlo mohlo překonat, což ho činí neprůchozím. Mosty Einstein-Rosen jsou proto nestabilní a nepozorovatelné — matematikou podmíněné struktury, nikoliv portály.
Nicméně metafora wormholu vzkvétala v populární kultuře a spekulativní teoretické fyzice. Myšlenka, že černé díry by mohly spojovat vzdálené oblasti kosmu — nebo dokonce fungovat jako stroje času — inspirovala bezpočet článků, knih a filmů.
Nicméně neexistují pozorovací důkazy pro makroskopické wormholi, ani žádný přesvědčivý teoretický důvod očekávat je v rámci Einsteinovy teorie. Ačkoli byly navrženy spekulativní rozšíření fyziky — jako exotické formy hmoty či úpravy obecné relativity — k podpoře takových struktur, zůstávají neověřené a silně spekulativní.
Dvě šipky času
Náš nedávný výzkum se vrací k hádance mostu Einstein-Rosen pomocí moderní kvantové interpretace času, vycházející z myšlenek vyvinutých Sravanem Kumarem a João Martem. Většina základních fyzikálních zákonů nerozlišuje mezi minulostí a budoucností, ani mezi levou a pravou stranou. Pokud jsou čas nebo prostor v jejich rovnicích otočeny, zákony zůstávají platné. Brát tyto symetrie vážně vede k odlišnému chápání mostu Einstein-Rosen.
Místo aby to byl tunel prostorem, je to možné chápat jako dva doplňkové komponenty kvantového stavu. V jednom směru čas plyne kupředu; v druhém, zpětně od jeho zrcadlově odražené polohy.
Tato symetrie není filosofickou preferencí. Jakmile jsou vyloučeny nekonečna, kvantová evoluce musí zůstat úplná a vratná na mikroskopické úrovni — i v přítomnosti gravitace. „Most“ vyjadřuje skutečnost, že obě komponenty času jsou potřebné k popisu úplného fyzikálního systému. V běžných situacích fyzikové ignorují časově obrácenou komponentu tím, že si vybírají pouze jednu šipku času.
Avšak blízko černých děr, nebo v expanzivních a kolabujících vesmírech, musí být zahrnuty oba směry pro konzistentní kvantový popis. A tady se mosty Einstein-Rosen přirozeně objevují.
Řešení informačního paradoxu
Na mikroskopické úrovni umožňuje most přenášet informace přes to, co se nám zdá jako horizont událostí — bod bez návratu. Informace nezmizí; pokračuje v evoluci, ale podél opačného, zrcadlového časového směru. Tento rámec nabízí přirozené řešení slavného informačního paradoxu černých děr. V roce 1974 Stephen Hawking ukázal, že černé díry vyzařují teplo a mohou nakonec vyprchat, očividně tak maže veškeré informace o tom, co do nich spadlo — což je v rozporu s kvantovým principem, že evoluce musí uchovávat informace.
Paradox vzniká pouze v případě, že se nedobrovolně zaměříme na popis horizontů pomocí jediné, jednostranné šipky času extrapolované do nekonečna — což je předpoklad, který samotná kvantová mechanika nevyžaduje. Pokud zahrneme plný kvantový popis obou časových směrů, nic není skutečně ztraceno. Informace opustí náš časový směr a znovu se objeví podél obráceného. Úplnost a kauzalita jsou zachovány, aniž by bylo třeba invokovat exotickou novou fyziku.
Tato myšlenka je obtížně uchopitelná, protože jsme makroskopické bytosti, které zažívají pouze jeden časový směr. Na každodenních úrovních se neuspořádanost — nebo entropie — obvykle zvyšuje. Vysoce uspořádaný stav se přirozeně vyvíjí do neuspořádaného, nikoli naopak. To nám dává šipku času. Ale kvantová mechanika umožňuje subtilnější chování. Zajímavé je, že důkazy pro tuto skrytou strukturu již mohou existovat. Kozmické mikrovlnné pozadí — pozůstatek Velkého třesku — vykazuje malou, ale trvalou asymetrii: preferenci jednoho prostorového orientačního směru oproti jeho zrcadlovému obrazu.
Tato anomálie zmátla kosmology po dvě desetiletí. Standardní modely ji přiřazují extrémně nízkou pravděpodobnost — pokud není zahrnuta zrcadlová kvantová komponenta.
Ohlasy předchozího vesmíru?
Tento obraz naturally spojuje s hlubší možností. To, čemu říkáme „Velký třesk“, nemusí představovat naprostý začátek, ale spíše odraz — kvantový přechod mezi dvěma časově obrácenými fázemi kosmického vývoje. V takovém scénáři by černé díry mohly fungovat jako mosty nejen mezi směry času, ale mezi různými kosmologickými epochami. Náš vesmír by mohl být interiérem černé díry vytvořené v jiném, mateřském kosmu. To mohlo vzniknout jako uzavřená oblast časoprostoru, která se zhroutila, odrazila se a začala expandovat jako vesmír, který dnes pozorujeme.
Pokud je tento obraz správný, nabízí také způsob, jakým mohou pozorování rozhodnout. Relikty z fáze před odrazem — jako menší černé díry — by mohly přežít přechod a znovu se objevit v našem expanzivním vesmíru. Některé z neviditelné hmoty, kterou připisujeme temné hmotě, by mohly být ve skutečnosti tvořeny takovými relikty.
Z tohoto pohledu se Velký třesk rozvinul z podmínek v předchozím kontrakci. Wormholi nejsou potřebné: most je časový, nikoli prostorový — a Velký třesk se stává bránou, nikoli začátkem.
Tato reinterpretace mostů Einstein-Rosen nenabízí žádné zkratky mezi galaxiemi, žádné časové cestování a žádné vědeckofantastické wormholi nebo hyperspace. Co nabízí, je mnohem hlouběji. Nabízí konzistentní kvantový obraz gravitace, kde časoprostor ztělesňuje vyváženost mezi opačnými směry času — a kde náš vesmír mohl mít historii před Velkým třeskem. Nezruší Einsteinovu relativitu nebo kvantovou fyziku — doplní je. Další revoluce ve fyzice nás možná neprovádí rychleji než světlo — ale mohla by odhalit, že čas na mikroskopické úrovni a ve skákajícím vesmíru plyne oběma směry.
