Methode bedacht om wormgaten te detecteren – áls ze bestaan

Impressie van een superzwaar zwart gat. Credit: NASA/JPL-Caltech

Voorlopig zijn wormgaten nog zuiver hypothetische objecten: een wormgat, ook bekend als een Einstein-Rosen brug, is een hypothetische mogelijkheid om binnen de ruimtetijd via z’n twee uiteinden sneller dan het licht te reizen. Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (ART) sluit hun bestaan niet uit, maar dan moet er wel materie met een negatieve energiedichtheid bestaan. Die is nog nooit waargenomen, maar het is ook niet uitgesloten dat het wel bestaat. Mochten wormgaten inderdaad bestaan dan hebben twee natuurkundigen van de Universiteit van Buffalo (VS) en Yangzhou Universiteit (China) alvast bedacht hoe je ze zou kunnen detecteren. Dejan Stojkovic en De-Chang Dai denken dat ze waargenomen zouden kunnen worden in de buurt van Sagittarius A* (kortweg Sgr A*), het superzware zwarte gat in het centrum van het Melkwegstelsel. Op grond van theoretische overwegingen denkt men dat wormgaten vooral op plaatsen voorkomen met extreem krachtige zwaartekrachtsvelden en dé plek bij uitstek daarvoor is vlakbij een superzwaar zwart gat.

Impressie van een wormgat. Credit: Pixabay / Genty.

Op 10 oktober j.l. publiceerde het tweetal dit vakartikel in Physical Review D en daarin stellen ze dat de aanwezigheid van een wormgat in de buurt van Sgr A* zich kan verraden door minieme afwijkingen in de baan van sterren die vlakbij Sgr A* staan en daar in korte tijd omheen draaien. Eén van die sterren is de welbekende ster S2, die in 15,2 jaar om Sgr A* draait. Als S2 in de buurt van het wormgat zou komen en aan het andere uiteinde van het wormgat (ergens anders in het heelal) bevindt zich ook een ster, dan zal de zwaartekrachtswerking van die ster van invloed zijn op de baan van S2 (en vice versa). Op dit moment zijn de metingen aan de baan van S2 nog niet gedetailleerd genoeg om zo’n variatie te zien, maar Stojkovic en Dai denken dat één of twee decennia van waarnemingen genoeg gegevens van de baan moeten opleveren om iets te kunnen zeggen over de aanwezigheid van een wormgat in de buurt van Sgr A* en S2. Maar zelfs als ze zo’n variatie bespeuren is het nog niet helemaal zeker, want de baanafwijking zou ook door iets anders kunnen worden veroorzaakt, bijvoorbeeld een ster in de buurt van S2. Het blijft dus nog een poosje hypothetisch, die wormgaten. Bron: Universiteit van Buffalo.

Plaveit ER=EPR de weg voor vereniging Relativiteitstheorie en Kwantummechanica?

Een ‘octopus wormgat’ Credit: Olena Shmahalo/Quanta Magazine


Al decennia wordt gezocht naar een alles omvattende theorie, die zowel de Relativiteitstheorie omvat als de Kwantummechanica, die zowel het grote van de ruimtetijd van het heelal als het kleine van de elementaire deeltjes en krachten beschrijft. De laatste twee jaar is er behoorlijk wat schot in de zaak gekomen en dat is met name sinds het verschijnen op 3 juni 2013 van het artikel van Cool horizons for entangled black holes van de twee bekende natuurkundigen Juan Maldacena (‘the Master’) en Leonard Susskind. Sindsdien is dat artikel al 150 keer door vakgenoten geciteerd en alles schijnt te draaien om iets waarvoor Albert Einstein al in 1935 de grondslagen legde: ER=EPR. Deze relatie legt het verband tussen twee artikelen die Einstein dat jaar met collega’s schreef, eentje met Nathan Rosen over een fenomeen dat bekend zou worden als Einstein-Rosen bruggen, beter bekend als wormgaten, en eentje met Boris Podolsky en dezelfde Rosen over een ander fenomeen, kwantumverstrengeling. Met dat ER=EPR – oftewel Einstein-Rosen’s wormgaten en Einstein-Podolsky-Rosen’s kwantumverstrengeling – gingen Maldacena en Susskind een probleem te lijf waar sterrenkundigen en natuurkundigen mee worstelen: wat gebeurt er met de informatie van alle materie (lees: hun kwantumeigenschappen) die binnen de waarnemingshorizon in een zwart gat zit? Volgens de ijzeren wetten van de kwantummechanica kan dergelijke informatie niet verloren gaat – de behoudswet van informatie – en toch zou een zwart gat informatie doen verdwijnen. Een onderwerp waar Stephen Hawking een jaar geleden ook al mee worstelde, zie deze, deze en nog eens deze Astroblogs erover.

Zit er een firewall rondom zwarte gaten?

Hawking was met name getriggered door een artikel dat een jaar eerder voor dat van Maldacena en Susskind verscheen, het AMPS-artikel, genoemd naar de initialen van de auteurs, Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski, James Sully. Berekeningen van dat viertal lieten zien dat de waarnemingshorizon van een zwart gat weliswaar informatie naar buiten kan brengen, maar dat de consequentie daarvan is dat ‘ie omgeven is door een ‘firewal’. Polchinski en z’n maatjes gingen daarbij uit van Hawking’s beroemde theorie uit 1974 van verdampende zwarte gaten, waarbij paren van deeltjes die kwantumverstrengeld zijn in staat zijn uit het zwarte gat te ontsnappen, dat wil zeggen dat één van die deeltjes van zo’n verstrengeld paar wegvliegt van het zwarte gat en het andere er in valt en verdwijnt. Kern van het AMPS-artikel: een deeltje dat uit het zwarte gat verdwijnt moet met meer dan één ander deeltje kwantumverstrengeld zijn en zo’n ”kwantum polygamie” van verstrengelde deeltjes zou onherroepelijk tot een opeenhoping van energie bij de waarnemingshorizon moeten leiden, hetgeen allesverzengende ‘firewall’ oplevert.

Juan Maldacena en leonard Susskind.

Toen waren daar Maldacena en Susskind, twee gevestigde namen in de theoretische natuurkunde. Zij waren geïnspireerd geraakt door werk van Mark Van Raamsdonk – goh, dat klinkt wel erg Nederlands – een natuurkundige, werkzaam bij de Universiteit van British Columbia in Vancouver. Die had eerder het idee postgevat dat er een relatie zou zijn tussen kwantumverstrengeling en ruimtetijd. Op een dag stuurde Maldacena een kort en cryptisch bericht per mail naar Susskind, dat enkel ‘ER=EPR‘ bevatte. Susskind, die Maldacena als ‘the Master’ schijnt aan te duiden, had direct door waar het om draaide: er is een relatie tussen wormgaten, de Einstein-Rosen bruggen die een manier vormen om sneller dan het licht tussen twee punten in het heelal te reizen, en kwantumverstrengeling, het verschijnsel dat twee elementaire deeltjes met elkaar verbonden kunnen zijn en dat een verandering aan één van de deeltjes direct gevolgen heeft voor het andere deeltje, ongeacht in het heelal waar ze zich bevinden – een verschijnsel dat Einstein, Podolsky en Rosen in 1935 juist probeerden te ontkrachten.

Theoretische voorstelling van een wormgat.

Bij een klassiek wormgat zijn de uiteinden twee zwarte gaten, nou ja eigenlijk één zwart gat waar je in gaat en één wit gat waar je uitkomt – zie Interstellar voor een mooie visualisatie ervan. Bij Maldacena en Susskind is er sprake van kwantumverstrengeling tussen deeltjes bí­nnen het zwarte gat en buiten het zwarte gat en die verstrengeling verloopt via wormgaten – de onderste afbeelding hierboven. De voorstelling hiervan is door sommigen al de octopus-afbeelding genoemd, helemaal boven aan een andere voorstelling ervan. Met ER=EPR zou de firewall van AMPS omzeild worden, zou de wet van behoud van informatie intact blijven én zou er een verband worden gelegd tussen de wereld van het allergrootste, de ruimtetijd en de zwaartekracht van het heelal, beschreven met Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie uit 1915, en de wereld van het allerkleinste, de elementaire deeltjes en natuurkrachten (inclusief dezelfde zwaartekracht), beschreven door de kwantummechanica uit de jaren twintig van de vorige eeuw. Als afsluiting tenslotte deel 1 van een lezing van Susskind himself over ER=EPR, hier deel 2.

Bron: Quanta Magazine + The Reference Frame + Francis Naukas.

Nog even over die wormgaten

Theoretische voorstelling van een wormgat.

[Trailer Alert] In de film Interstellar komt een wormgat voor, eentje die zich ophoudt bij Saturnus en die astronaut Cooper en zijn gezelschap op een snelle manier toegang verschaft tot een ander deel van het universum. Een wormgat, ook wel bekend als een Einstein-Rosen brug, is een hypothetische mogelijkheid binnen de ruimtetijd te reizen en die aan twee kanten een opening heeft, welke er als zwarte gaten uitzien. Zou je terechtkomen in een echt zwart gat, dan is spaghettificatie van al je atomen tot een lange sliert onvermijdelijk, kom je echter in een wormgat dan zou je – in theorie tenminste – miljoenen lichtjaren ver weg kunnen reizen. Het tweetal natuurkundigen Zilong Li en Cosimo Bambi (Universiteit van Shanghai) heeft een mogelijkheid geopperd hoe een wormgat van buiten te onderscheiden zou zijn van een echt zwart gat en zij denken dat binnen enkele jaren, als het Gravity instrument verbonden wordt aan de Very Large Telescopes van de ESO in Chili, beiden kunnen worden gedetecteerd. Over wormgaten heeft Ben Gilliland van CosmOnline een prachtige infografiek gemaakt en die zie je hieronder – dubbelklikken om ‘m te verinterstellariseren.

Credit: Cosmonline/Ben Gilliland

Bron: CosmOnline.

Bevindt ons heelal zich ín een wormgat ín een zwart gat ín een groter heelal?

Credit: AlexAntropov86/Pixabay.

Ik zou eigenlijk een categorie Bizarre Theorieën moeten hebben, want de theorie van de theoretisch natuurkundige Nikodem Poplawski (Universiteit van Indiana, VS) zou daar uitstekend in passen. Op 29 maart j.l. verscheen z’n artikel getiteld Radial motion into the Einstein-Rosen bridge op het bekende ArXiv archief en op 12 april a.s. zal het in papieren vorm verschijnen in het vakblad Physics Letters B687 (2010) bladzijde 110 t/m 113. Het artikel zit tsjokvol exotische objecten: niet alleen zwarte gaten, de supercompacte objecten wiens gravitatiekracht zo sterk is dat zelfs licht er niet van kan ontsnappen, maar ook witte gaten – yep, omgekeerde zwarte gaten, die geen materie aantrekken, maar juist uitspuwen – én wormgaten. Die wormgaten worden ook wel Einstein-Rosen bruggen genoemd en ze vormen de verbinding tussen zwarte en witte gaten, een dankbaar object voor menig science-fiction film. De preciese gedachtegang van Poplawski is tamelijk ingewikkeld, zachtjes uitgedrukt, maar het komt er op neer dat hij inschat dat het mogelijk moet zijn dat ons heelal zich in zo’n wormgat bevindt. Ons hele expanderende heelal ziet hij als een wit gat en dat wormgat voert ons van het witte gat naar het zwarte gat, dat zich in de verre toekomst zal vormen uit de gravitationele collaps van de materie in het heelal. En dat alles speelt zich weer af in een nog groter heelal. Snappie? 🙂 Poplawski beweert dat zijn model vele problemen waar de huidige oerknaltheorie mee worstelt én de informatie-paradox van zwarte gaten oplost. Horen we hier nog meer van? Ik denk ‘t niet. Bron: Eurekalert.