Theoretische Physiker haben fast ein Jahrhundert damit verbracht, eine einheitliche physikalische Theorie unseres Universums aus Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zu vereinen.
Das Problem, mit dem sie konfrontiert sind, ist, dass beide vorherrschenden Theorien unglaublich gut bei der Beschreibung unserer Welt funktionieren und beide wiederholten Experimenten standgehalten haben.
Aber die beiden könnten genauso gut zwei völlig unterschiedliche Realitäten beschreiben, die sich nie wirklich schneiden.
Allgemeine Relativitätstheorie kann mathematisch ein Blatt, das von einem Baum fällt, die Umlaufbahnen von Monden und Planeten, sogar die Bildung von Galaxien beschreiben, aber sie ist nicht sehr nützlich, wenn man versucht, die Bewegung eines Elektrons vorherzusagen.
Die Quantenmechanik scheint inzwischen fast alles zu verletzen, was wir über das Universum wissen – dass Materie zu einem bestimmten Zeitpunkt nur an einem Ort sein kann, dass etwas immer nur in einem Zustand sein kann oder dass die Beobachtung von etwas nicht dasselbe istwie die Interaktion mit ihm – was uns aber dennoch die mathematischen Werkzeuge gibt, die wir brauchen, um Laser zu erstellen, Quantencomputer und viele andere moderne Technologien.
Vor kurzem jedoch ein interessanter Vorschlag über ein dorniges Paradoxon mit Schwarzen Löchern, ER = EPR, hat unter Physikern für Aufsehen gesorgt, und es ist leicht zu verstehen, warum. Diese einfache Gleichung könnte das Wurmloch sein, nach dem wir gesucht haben, das die beiden scheinbar unvereinbaren Theorien verbindet.
Die große Kontroverse um die Firewall des Schwarzen Lochs
Die GleichungER = EPR wurde 2013 von den theoretischen Physikern Leonard Susskind und Juan Maldacena als mögliche Lösung für eines der umstrittensten Probleme der modernen Physik vorgeschlagen: die Schwarze-Loch-Firewall.
Das Problem begann 1974, als der britische Kosmologe Stephen Hawking vorschlug, dass Schwarze Löcher tatsächlich Teilchen und Strahlung entweichen und schließlich explodieren würden. Dies kombinierte die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie, aber es gab ein großes Problem. Dr. Hawking kam zu dem Schluss, dass die Strahlungaus einem Schwarzen Loch zu kommen, wäre völlig zufällig und würde keine Informationen darüber liefern, was in es gefallen war. Wenn das Schwarze Loch schließlich explodierte, würden diese Informationen für immer aus dem Universum gelöscht.
Für Teilchenphysiker verstieß dies gegen einen grundlegenden Grundsatz der Quantentheorie, dass Informationen immer erhalten bleiben. Nach einer 30-jährigen Kontroverse gab Dr. Hawking 2004 bekannt, dass seine Theorie falsch sei. Dr. Hawking war vielleicht zu voreilig. Damals hatte noch niemand herausgefunden, wie Informationen aus einem Schwarzen Loch herauskommen könnten. Aber eine Gruppe von Forschern mit Sitz in Santa Barabara könnte eine Antwort gefunden haben.
Erstmals in einem 2012 veröffentlichten Papier vorgelegtJournal of High Energy Physics, die Black-Hole-Firewall-Theorie besagt, dass unmittelbar hinter jedem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs es muss einen Energieschleier geben, der so intensiv ist, dass er alles, was hineinfällt, vollständig verbrennt.
Die Autoren haben gezeigt, dass Informationen, die aus einem Schwarzen Loch fließen, sind unvereinbar mit einem Bereich der Einsteinschen Raumzeit, dem Ereignishorizont, an seiner Grenze. Anstelle des Ereignishorizonts hätte ein Schwarzes Loch eine Region energetischer Teilchen – eine „Firewall“- befindet sich direkt im Inneren.
Der Grund dafür, so die Autoren des Papiers, Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski und James Sully – zusammen als AMPS bekannt – ist, dass drei wichtige Annahmen über Schwarze Löcher nicht alle wahr sein können: die Information, die fälltin ein Schwarzes Loch nicht für immer verloren geht Unitarität; dass die Physik außerhalb des Ereignishorizonts noch normal funktioniert, auch wenn sie jenseits des Ereignishorizonts zusammenbricht Quantenfeldtheorie; und dass ein Objekt, das den Ereignishorizont überschreitet, keine Erfahrung machen würdeeine sofortige Änderung Äquivalenz.
Es ist diese letzte Annahme, von der AMPS sagt, dass sie zur Firewall führt. AMPS argumentiert, dass die Verschränkung eines Paares virtueller Partikel verantwortlich ist für Hawking-Strahlung wird am Ereignishorizont gebrochen und setzt eine unglaubliche Energiemenge direkt hinter und entlang der gesamten sichtbaren Grenze eines Schwarzen Lochs frei.
Diese Verletzung eines Schlüsselprinzips der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein würde jedoch im Wesentlichen zur Entwirrung des Kernmodells der modernen Physik führen. Wenn Physiker diese Idee nicht mögen, argumentiert AMPS, dann eine der anderen beiden Säulen der Physikwie wir wissen, muss es stattdessen fallen.
Dies hat seither heftige Debatten ohne zufriedenstellende Lösung hervorgebracht. Raphael Bousso, ein Stringtheoretiker an der University of California, Berkeley, sagt das Problem der Firewall-Theorie, "erschüttert die Grundlagen dessen, was die meisten von uns über Schwarze Löcher glaubten ... Es stellt im Wesentlichen die Quantenmechanik gegen die allgemeine Relativitätstheorie, ohne uns irgendwelche Hinweise darauf zu geben, in welche Richtung wir als nächstes gehen sollen."
Susskind und Maldacena jedochvorgeschlagen eine neue Lösung für dieses Problem: Wurmlöcher, und das hat weitreichende Auswirkungen, die über das Firewall-Paradox hinausgehen.
Einstein, Schwarze Löcher und Wurmlöcher
WannAlbert Einstein veröffentlichte 1916 seine Allgemeine Relativitätstheorie, er revolutionierte unser Verständnis der Gravitation, indem er sie als die Krümmung im Gefüge von Raum und Zeit beschrieb, die durch die Massen von Objekten im Raum erzeugt wird.
Die Krümmung in der Raumzeit kann mit der Masse variieren, und theoretisch kann sich die Raumzeit in extremen Fällen sogar so stark krümmen, dass sie einen anderen Punkt im Gewebe berührt und die beiden Punkte miteinander verbindet, selbst wenn sie durch eine riesige Fläche getrennt sindEntfernungen, repräsentieren verschiedene Zeitpunkte oder existieren vollständig in verschiedenen Universen.
Formal bekannt als Einstein-Rosen ER-Brücke, benannt nach Einstein und seinem Co-Autor des 1935 Papier, das die Brücke beschreibt, Nathan Rosen, diese theoretische Brücke in der Raumzeit wird im Volksmund als a bezeichnet Wurmloch.
Unter den Fällen, in denen die Entstehung von Wurmlöchern am wahrscheinlichsten ist, sind Schwarze Löcher, und wenn zwei Schwarze Löcher miteinander eine ER-Brücke bilden, dann würde der Punkt, an dem ein Schwarzes Loch beginnt und das andere endet, im Wesentlichen verschwinden.
Eine ER-Brücke ist jedoch nicht auf Singularitäten beschränkt, und wenn Ihnen die Verflechtung zweier unterschiedlicher Objekte zu einem verbundenen Paar bekannt vorkommt, dann sind Sie auf dem Weg zum VerständnisER = EPR.
Einstein und das Quantenverschränkungsparadox
Quantenverschränkung, die Einstein bekanntlich als "spukhafte Fernwirkung" verspottete, ist das Quantenphänomen, bei dem zwei wechselwirkende Teilchen untrennbar verbunden werden, so dass die Kenntnis des einen des Paares sofort die Kenntnis des anderen gibt.
Noch kritischer jedoch, da ein Teilchen in mehr als einem Quantenzustand gleichzeitig sein kann und nur dann einen bestimmten Zustand annehmen wird, wenn es beobachtet oder auf irgendeine Weise mit ihm interagiert wird, zwingt der Kollaps eines Teilchens aus der Überlagerung in einen definierten Zustand seine VerschränkungPartner, um augenblicklich in den komplementären Quantenzustand zu kollabieren, unabhängig von der Entfernung zwischen den beiden.
Wenn zum Beispiel die Superposition eines verschränkten Teilchens, auch als seine Wellenform oder Wellenfunktion bezeichnet, bei der Beobachtung in einen "auf"-Zustand kollabiert, kollabiert sein verschränkter Partner gleichzeitig in einen "abwärts"-Zustand, selbst wenn es sich auf derandere Seite des Universums und es wird überhaupt nicht beobachtet. Woher weiß das andere Teilchen das?
Diese Frage hat Einstein und andere so durcheinander gebracht. Dieses Phänomen impliziert eindeutig die Übertragung von Informationen von einem Teilchen zum anderen unter Verletzung der Allgemeinen Relativitätstheorie, da dieser Informationsaustausch anscheinend schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, die angeblichdie offizielle Geschwindigkeitsbegrenzung für alles im Universum sein, einschließlich Informationen.
Einstein, zusammen mit den Co-Autoren Rosen und Boris Podolsky, geschrieben in einem Papier von 1935 dass diese Relativitätsverletzung bedeutete, "entweder 1 die Beschreibung der Realität durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik ist nicht vollständig oder 2 diese beiden Größen können keine gleichzeitige Realität haben."
Im Wesentlichen muss die beschriebene Quantenmechanik ein Schlüsselprinzip auslassen, das sie mit der allgemeinen Relativitätstheorie konform macht, oder die beiden Teilchen könnten nicht sofort kommunizieren.
Dennoch scheinen verschränkte Teilchen in der Lage zu sein, genau das zu tun, was Einstein, Podolsky und Rosen sagen, dass sie es unmöglich tun können, was zum Einstein-Podolsky-Rosen-Paradox EPR führt, einer formaleren Art, die Quantenverschränkung zu beschreiben.
Tatsächlich spielt die Quantenverschränkung eine entscheidende Rolle beim Quantencomputing und anscheinend bei der Erklärung, wie in der Hawking-Strahlung kodierte Informationen aus einem Schwarzen Loch herauskommen könnten.
Mit der zweiten Hälfte der Gleichung können wir endlich mit den Implikationen von rechnenER = EPR und wie es der Schlüssel zur Entschlüsselung der "Theory of Everything" sein könnte.
Was istER = EPR?
Als Susskind und Maldacena sich 2012 zum ersten Mal dem Schwarzen-Loch-Paradox näherten, waren sie nicht die ersten, die den möglichen Zusammenhang zwischen Quantenverschränkung und der Struktur der Raumzeit erkannten.
Mark Van Raamsdonk, ein TheoretikerPhysiker an der University of British Columbia, Vancouver, beschrieb ein wichtiges Gedankenexperiment das legt nahe, dass ein unergründlich komplexes Netzwerk von Quantenverschränkungen tatsächlich die Fäden sein könnten, die das Gefüge der Raumzeit selbst bilden.
Was Susskind und Maldacena taten, war, diese Annahme zu übernehmen und den logischen Schritt zu machen, dass Wurmlöcher ER eine Form der Quantenverschränkung EPR sein könnten, und so könnten verschränkte Teilchen, die in Schwarze Löcher fallen, immer noch mit ihren Partnern außerhalb des Schwarzen verbunden werdenLoch über quantengroße Wurmlöcher, oder ER = EPR.
Diese Form der Verschränkung würde die Verbindung zwischen den Teilchen im Inneren eines Schwarzen Lochs mit der älteren äußeren Hawking-Strahlung aufrechterhalten, ohne den Ereignishorizont durchqueren zu müssen und ohne das Prinzip zu verletzen, dass ein Teilchen nicht stark mit zwei getrennten verschränkt werden kannPartner auf einmal, wodurch die Entstehung der gefürchteten Firewall vermieden wird.
Diese Theorieist aber nicht ohne Kritiker, zumal diese Art der Verschränkung eine Neubewertung der Quantenmechanik selbst erfordern würde wie AMPS richtig vorausgesagt hat. Aber was würde es bedeuten, wenn Susskind und Maldacena Recht haben und ER = EPR? Es könnte alles bedeuten, zumindest für die lange schwer fassbare einheitliche Theorie der Physik.
könnteER = EPR Brücke zwischen Relativität und Quantenmechanik?
Was macht ER = EPR Interessanter, jenseits des AMPS-Firewall-Problems, wäre, was es bedeuten würde, wenn wir ein beschreibbares Prinzip hätten, das sowohl in der Quantenmechanik als auch in der relativistischen Physik gleich wäre.
WennQuantenverschränkung und Wurmlöcher fundamental miteinander verbunden sind, dann hätten wir unsere erste wirkliche Überschneidung zwischen Relativität und Quantenmechanik. Ähnlich wie die Wurmlöcher oder verschränkten Teilchen, die sie beschreiben, hätten diese beiden scheinbar ungleichen Felder, die seit fast einem Jahrhundert getrennt sind, endlich einen Faden, der sie verbindet.
Es gibt andere Beweise dafür, dass dies darüber hinaus der Fall sein könnteER = EPR. Es gibt viel Aufregung um etwas, das als Tensornetzwerke bekannt ist, eine Möglichkeit, verschränkte Teilchen mit anderen verschränkten Teilchen zu verbinden, sodass A mit B und C mit D verbunden ist, aber auch, dass A und B kollektiv verbunden sindals Paar zu den Paaren C und D.
Diese verknüpften Paare könnten mit anderen verknüpften Paaren verknüpft werden und beginnen, eine komplexe Quantengeometrie aufzubauen, die eine starke Verbindung zu a impliziertgekrümmte, hyperbolische Geometrie der Raumzeit. Unsere Beobachtungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung legen stark eine flache, euklidische Ebene als Modell für unser Universum nahe, jedoch zumindest für die beobachtbaren Teile.
Sowohl in sphärischen als auch hyperbolischen geometrischen Modellen des Universums könnte das Universum lokal immer noch flach erscheinen, wobei die Krümmung der Raumzeit erst sichtbar wird, wenn wir den Teil der Raumzeit jenseits der Grenze von 13,8 Milliarden Lichtjahren einnehmendes beobachtbaren Universums berücksichtigt.
Es wäre ähnlich wie die Erde von dort aus, wo du gerade stehst oder sitzt flach aussieht, aber das liegt nur daran, dass du nicht hoch genug über dem Boden bist, um ihre wahre Form wahrzunehmen. Komm hoch genug in dieLuft und die Kugelform der Erde wird unbestreitbar.
VerwendenER = EPR Quantenmechanik mit relativistischer Physik zu verbinden könnte uns in gewisser Weise die theoretische Erhebung liefern, die wir vermisst haben, um die wahre Form der Dinge zu sehen und endlich zu verstehen, wie die beiden Theorien tatsächlich ein und dasselbe sind.
Das ist sowieso die Idee. Ob das so ist, bleibt abzuwarten, und ER = EPR könnte sich am Ende als Blindgänger herausstellen. Es wäre nicht das erste Mal, aber selbst diejenigen, die berechtigte Skepsis äußern, wie Polchinski von AMPS, finden die Idee einen Blick wert: "Ich weiß nicht, wohin es führt, aber es macht gerade Spaß."