Inseparabilitatea cuantică, găurile de vierme şi gravitaţia

Julian Sonner, un fizician de la MIT, a constatat că, privit prin prisma teoriei corzilor, fenomenul de obţinere a două quarcuri inseparabile cuantic duce simultan şi la apariţia unei găuri de vierme ce conectează cele două particule pereche.

Inseparabilitatea cuantică reprezintă unul dintre mai ciudate concepte care au rezultat din studiul mecanicii cuantice, atât de ciudat încât celebrul Albert Einstein s-a referire la el ca fiind o „acţiune înfricoşătoare la distanţă".

În esenţă, inseparabilitatea cuantică implică existenţa a două particule care ocupă fiecare mai multe poziţii în acelaşi timp, o condiţie cunoscută sub numele de superpoziţie. De exemplu, ambele particule se pot roti simultan în sens orar şi antiorar. Dar niciuna dintre ele nu are o stare definită până când una dintre ele nu este măsurată, ceea ce determină ca cealaltă particulă să adopte instantaneu o stare cuantică corelată cu cea a primei particule. Corelaţiile cuantice stabilite între cele două particule se păstrează chiar dacă acestea se află la capetele opuse ale Universului.

Reprezentarea unei găuri de vierme, o ipotetică „scurtătură" prin Univers, ale cărei capete se află în puncte diferite din spaţiul-timp. Credit: Wikipedia.

Dar cum pot interacţiona aceste particule în mod instantaneu şi aparent mai repede decât viteza luminii de-a lungul unor distanţe atât de mari? Fizicienii au propus un răspuns bazat pe existenţa unor „găuri de vierme" sau a unor tuneluri gravitaţionale. Aceştia au arătat că prin realizarea unei inseparabilităţi cuantice între două găuri negre care ulterior sunt îndepărtate una de alta se formează în esenţă o gaură de vierme care reprezintă o „scurtătură" prin Univers şi care conectează cele două găuri negre îndepărtate.

Recent, un fizician de la MIT a constatat că, privit prin prisma teoriei corzilor, fenomenul de obţinere a două quarcuri (particule ce reprezintă cărămizile fundamentale ale materiei) inseparabile cuantic duce simultan şi la formarea unei găuri de vierme ce conectează cele două particule pereche.

Rezultatele teoretice susţin o idee relativ nouă şi interesantă cum că legea gravitaţiei care menţine stabilitatea Universului s-ar putea să nu fie fundamentală, ci să provină din altceva: inseparabilitatea cuantică.

Julian Sonner, un postdoctorand din cadrul Laboratory for Nuclear Science and Center for Theoretical Physics al MIT a publicat rezultatele sale în revista Physical Review. Studiul său apare alături de o altă lucrare elaborată de Kristan Jensen de la University of Victoria şi Andreas Karch de la University of Washington.

Încă de la apariţia mecanicii cuantice cu mai mult de un secol în urmă, principala provocare pentru fizicienii din acest domeniu a fost de a explica gravitaţia în termenii mecanicii cuantice. Deşi mecanica cuantică reuşeşte să descrie foarte bine interacţiunile care au loc la un nivel microscopic, ea nu reuşeşte să explice gravitaţia, un concept fundamental al relativităţii, o teorie propusă de Einstein pentru a descrie lumea macroscopică. Astfel, se pare că există un obstacol major în faţa unei reconcilieri între mecanica cuantică şi relativitatea generală. Timp de ani de zile fizicienii au încercat să elaboreze o teorie a gravitaţiei cuantice care să unească cele două domenii ale fizicii.

„Există câteva întrebări dificile cu privire la gravitaţia cuantică al căror răspuns noi încă nu îl cunoaştem şi ne-am ocupat de aceste probleme un timp îndelungat", spune Sooner. „Trebuie să găsim o cale pentru a înţelege aceste probleme".

O teorie a gravitaţiei cuantice sugerează că gravitaţia clasică nu reprezintă un concept fundamental, aşa cum Einstein a propus pentru prima dată, ci mai degrabă aceasta rezultă datorită unui fenomen cuantic. La un nivel macroscopic acest lucru ar însemna că Universul este modelat de ceva mai fundamental decât forţa de gravitaţie.

În acest caz fenomenul de inseparabilitate cuantică poate juca un rol important. S-ar putea crede că conceptul de inseparabilitate cuantică, unul dintre cele mai importante din mecanica cuantică, se află în conflict direct cu teoria relativităţii generale: două particule inseparabile cuantic ar putea „comunica" între ele de-a lungul unor distanţe mari cu o viteză mai mare decât cea a luminii, ceea ce reprezintă o încălcare a legilor fizicii, potrivit lui Einstein. Prin urmare, ar fi o surpriză faptul ca prin utilizarea conceptului de inseparabilitate cuantică să se poată concepe spaţiu-timpul şi să se facă un important pas înainte în vederea reconcilierii legilor mecanicii cuantice cu cele ale relativităţii generale.

Tunelare cuantică spre a cincea dimensiune

Fizicienii Juan Maldacena de la Institute for Advanced Study şi Leonard Susskind de la Stanford University au propus o soluţie teoretică în cazul a două găuri negre inseparabile cuantic. Atunci când două găuri negre au fost aduse într-o stare de inseparabilitate cuantică şi apoi au fost îndepărtate una de alta, teoreticienii au constatat că în acest caz se formează o gaură de vierme, adică un tunel prin spaţiu-timp despre care se crede că există datorită gravitaţiei. Ideea pare să sugereze că în cazul găurilor de vierme gravitaţia apare în urma unui fenomen mai fundamental şi anume cel al găurilor negre inseparabile cuantic.

În urma lucrării elaborate de Jensen şi Karch, Sonner a căutat să abordeze această idee la nivel de quarcuri, blocurile de materie de la un nivel subatomic. Pentru a vedea ce rezultă în urma fenomenului de inseparabilitate cuantică aplicat în cazul quarcurilor, el a generat mai întâi quarcuri folosind efectul Schwinger, un concept din teoria cuantică care permite apariţia de particule din nimic. Mai precis, efectul care este numit şi „generare de perechi" permite ca două particule să apară din vid (un amestec de particule tranzitorii). Cu ajutorul unui câmp electric se poate să „prindem o pereche de particule" înainte ca acestea să dispară în vid. Aceste perechi de particule extrase din vid sunt inseparabile cuantic.

Sonner a urmărit quarcurile inseparabile cuantic de-a lungul unui spaţiu-timp cu 4 dimensiuni, cel ce se consideră că reprezintă spaţiu-timpul clasic. Gravitaţia se crede că există într-o dimensiune superioară şi în conformitate cu legile lui Einstein ea acţionează pentru a „îndoi" şi modela spaţiu-timpul care există în a cincea dimensiune.

Pentru a vedea ce geometrie poate rezulta în dimensiunea a cincea în urma unor quarcuri care sunt inseparabile cuantic, aflate într-un spaţiu cu 4 dimensiuni, Sonner a studiat dualitatea holografică, un concept din teoria corzilor. Deşi o hologramă este un obiect bidimensional, acesta conţine toate informaţiile necesare pentru a genera o imagine tridimensională. În esenţă, dualitatea holografică este un mod de a obţine o dimensiune spaţială în plus pe baza unui spaţiu cu o dimensiune mai puţin.

Folosind dualitatea holografică Sonner a utilizat quarcurile inseparabile cuantic şi a constatat că ceea ce s-a format reprezintă o gaură de vierme care uneşte cele două particule, ceea ce înseamnă că prin crearea de quarcuri se generează simultan o gaură de vierme. Mai important este că rezultatele sugerează că gravitaţia poate de fapt rezulta în urma fenomenului de inseparabilitate cuantică. Mai mult, geometria sau gradul de deformare din Univers care este descris de gravitaţia clasică poate reprezenta o consecinţă a unui fenomen de inseparabilitate cuantică precum cel dintre perechile de particule conectate prin intermediul găurilor de vierme.

„Aceasta este cea mai simplă reprezentare pe care o avem până acum cu privire la modul prin care inseparabilitatea cuantică determină apariţia unui anume tip de geometrie", spune Sonner. „Ce se întâmplă cu geometria în cazul în care unele din aceste legături cuantice se pierd? Există multe scenarii care pot fi urmărite în acest caz şi ceea ce am obţinut până în prezent se poate dovedi a fi foarte util".