Maskhål är ett populärt inslag inom science fiction, de medel genom vilka rymdfarkoster kan uppnå snabbare än ljus (FTL) resor och omedelbart förflytta sig från en punkt i rymdtiden till en annan. Och medan Allmän relativitetsteori förbjuder förekomsten av 'traverserbara maskhål', nyare forskning har visat att de faktiskt är möjliga inom kvantfysikens domän.
De enda nackdelarna är att de faktiskt skulle göra det ta längre tid att passera än normalt utrymme och/eller sannolikt vara mikroskopiskt. I en ny studie utförd av ett par Ivy League-forskare, kan förekomsten av fysik bortom standardmodellen betyda att det finns maskhål där ute som inte bara är tillräckligt stora för att kunna passera, utan helt säkra för mänskliga resenärer som vill ta sig från punkt. A till punkt B.
Studien, med titeln ' Mänskligt gångbara maskhål ”, leddes av Juan Maldacena (den Carl P. Feinberg professor i teoretisk fysik från Institutet för avancerade studier ) och Alexey Milekhin, en student i astrofysik vid Princeton University. Paret har skrivit mycket om ämnet maskhål tidigare och hur de kan vara ett sätt att resa säkert genom rymden.
Teorin om maskhål uppstod i början av 1900-talet som svar på Einsteins allmänna relativitetsteori. Den första som postulerade deras existens var Karl Schwarzschild, en tysk fysiker och astronom vars lösningar på Einsteins fältekvation (Schwarzschild-metriken) resulterade i den första teoretiska grunden för förekomsten av svarta hål.
En konsekvens av Schwarzschild-metriken var vad han kallade 'eviga svarta hål', som i huvudsak var kopplingar mellan olika punkter i rumtiden. Dessa Schwarzschild maskhål (aka. Einstein–Rosen broar) var dock inte stabila eftersom de skulle kollapsa för snabbt för att något skulle kunna passera från ena änden till den andra.
Som Maldacena och Milekhin förklarade för Universe Today via e-post kräver genomskinliga maskhål särskilda omständigheter för att existera. Detta inkluderar förekomsten av negativ energi, vilket inte är tillåtet i klassisk fysik – men är möjligt inom kvantfysikens område. Ett bra exempel på detta, hävdar de, är Casimir-effekten, där kvantfält producerar negativ energi medan de fortplantar sig längs en sluten cirkel:
'Den här effekten är dock vanligtvis liten eftersom den är kvant. I vår tidigare tidning [' Genomförbara maskhål i fyra dimensioner '] insåg vi att denna effekt kan bli betydande för svarta hål med stor magnetisk laddning. Den nya idén var att använda speciella egenskaper hos laddade masslösa fermioner (partiklar som elektronen men med noll massa). För ett magnetiskt laddat svart hål färdas dessa längs magnetfältslinjerna (på ett sätt som liknar hur solvindens laddade partiklar skapar norrsken nära jordens polära områden).
Det faktum att dessa partiklar kan färdas i en cirkel genom att gå in på en plats och dyka upp där de började i omgivande platta utrymme, antyder att 'vakuumenergin' är modifierad och kan vara negativ. Närvaron av denna negativa energi kan stödja existensen av ett stabilt maskhål, en bro mellan punkter i rymdtiden som inte kommer att kollapsa innan något har en chans att korsa det.
Sådana maskhål är möjliga baserat på materia som är en del av Standardmodell för partikelfysik . Det enda problemet är att dessa maskhål måste vara mikroskopiska och bara existera över mycket små avstånd. För mänskliga resor måste maskhålen vara stora, vilket kräver att fysik utöver standardmodellen används.
För Maldacena och Milekhin är det här Randall-Sundrum II-modellen (aka. 5-dimensionell skev geometriteori) kommer in i bilden. Uppkallad efter de teoretiska fysikerna Lisa Randall och Raman Sundrum, beskriver denna modell universum i termer av fem dimensioner och föreslogs ursprungligen för att lösa ett hierarkiproblem inom partikelfysik.
'Randall-Sundrom II-modellen baserades på insikten att denna femdimensionella rumtid också kunde beskriva fysik vid lägre energier än de vi vanligtvis utforskar, men att den skulle ha undgått upptäckt eftersom den kopplar ihop med vår materia endast genom gravitationen. Faktum är att dess fysik liknar att lägga till många starkt interagerande masslösa fält till den kända fysiken. Och av denna anledning kan det ge upphov till den negativa energin som krävs.'
Från utsidan drog Maldacena och Milekhin slutsatsen att dessa maskhål skulle likna mellanstora, laddade svarta hål som skulle generera liknande kraftfulla tidvattenkrafter som rymdfarkoster skulle behöva vara försiktiga med. För att göra det, hävdar de, skulle en potentiell resenär behöva en mycket stor boostfaktor när de passerar genom mitten av maskhålet.
Förutsatt att det kan göras, kvarstår frågan om dessa maskhål skulle kunna fungera som en genväg mellan två punkter i rymdtiden? Som noterat, tidigare forskning av Daniel Jafferis från Harvard University (som också beaktade Einsteins och Nathan Rosens arbete) visade att även om det var möjligt, skulle stabila maskhål faktiskt ta längre tid att passera än normalt utrymme.
Enligt Maldacena och Milekhins arbete skulle deras maskhål dock ta nästan ingen tid att korsa ur resenärens perspektiv. Ur en utomståendes perspektiv skulle restiden vara mycket längre, vilket är förenligt med allmän relativitet – där människor som reser nära ljusets hastighet kommer att uppleva tidsutvidgning (dvs tiden saktar ner). Som Maldacena och Milekhin uttryckte det:
']F]or astronauter som går genom maskhålet skulle det bara ta 1 sekund av deras tid att resa 10 000 ljusårssträcka (ungefär 5000 miljarder miles eller 1/10 av Vintergatans storlek). En observatör som inte går genom maskhålet och stannar utanför ser att de tar mer än 10 000 år. Och allt detta utan användning av bränsle, eftersom gravitationen accelererar och bromsar rymdskeppet.'
Konstnärillustration av ett rymdskepp som passerar genom ett maskhål till en avlägsen galax. Kredit: NASA.
En annan bonus är att man kan korsa dessa maskhål utan att använda bränsle eftersom gravitationskraften från själva maskhålet skulle accelerera och bromsa upp rymdskeppet. I ett rymdutforskningsscenario skulle en pilot behöva navigera i maskhålets tidvattenkrafter för att placera sin rymdfarkost precis rätt och sedan låta naturen göra resten. En sekund senare skulle de dyka upp på andra sidan galaxen!
Även om detta kan låta uppmuntrande för dem som tror att maskhål kan vara ett sätt att resa i rymd en dag, har Maldacena och Milekhins arbete också några betydande nackdelar. Till att börja med betonar de att genomgångsbara maskhål måste konstrueras med negativ massa eftersom det inte finns någon rimlig mekanism för naturlig bildning.
Även om detta är möjligt (åtminstone i teorin), skulle de nödvändiga rumtidskonfigurationerna behöva vara närvarande i förväg. Trots det är massan och storleken det handlar om så stor att uppgiften skulle vara bortom all praktisk teknik vi kan förutse. För det andra skulle dessa maskhål bara vara säkra om utrymmet var kallt och platt, vilket inte är fallet utöver Randall Sundrum II-modellen.
Ovanpå allt detta skulle alla föremål som kommer in i maskhålet accelereras och till och med närvaron av genomträngande kosmisk bakgrundsstrålning skulle vara en betydande fara. Emellertid betonar Maldacena och Milekhin att deras studie genomfördes i syfte att visa att maskhål som går att passera kan existera som ett resultat av det 'subtila samspelet mellan allmän relativitetsteori och kvantfysik.'
Kort sagt, maskhål kommer sannolikt inte att bli ett praktiskt sätt att resa genom rymden - åtminstone inte på något sätt som är förutsägbart. Kanske skulle de inte vara bortom en Kardashev typ II- eller typ III-civilisation, men det är bara spekulationer. Trots det är det verkligen uppmuntrande att veta att ett viktigt inslag i science fiction inte ligger utanför möjligheternas område!
Vidare läsning: arXiv