Un collegamento tra wormhole e quantum entanglement

Collegamento ipertestuale. I teorici hanno forgiato una connessione tra wormholes nello spaziotempo (sopra) e un fenomeno quantistico chiamato entanglement.

Questo progresso è così meta. I fisici teorici hanno forgiato una connessione tra il concetto di aggrovigliamento -è una misteriosa connessione meccanica quantistica tra due particelle ampiamente separate - e quella di un wormhole - un'ipotetica connessione tra i buchi neri che funge da scorciatoia attraverso lo spazio. L'intuizione potrebbe aiutare i fisici a riconciliare la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein, forse il più grande obiettivo della fisica teorica. Ma alcuni esperti sostengono che la connessione è solo un'analogia matematica.

L'entanglement collega le particelle quantistiche in modo tale che giocherellare con una può immediatamente influenzarne un'altra. Secondo le bizzarre leggi quantistiche che governano il regno subatomico, una piccola particella può essere in due condizioni o stati opposti allo stesso tempo. Ad esempio, un atomo può ruotare in una direzione o nell'altra, in alto o in basso o in entrambi i modi contemporaneamente. Lo stato a due vie dura solo fino a quando viene misurata la rotazione dell'atomo, tuttavia, a quel punto "collassa" nello stato su o giù. Due atomi possono quindi essere intrappolati in modo che entrambi ruotino in due modi contemporaneamente ma i loro spin siano completamente correlati, in modo che, ad esempio, puntino in direzioni opposte. Quindi, se il primo atomo viene misurato e trovato in rotazione, il secondo atomo collasserà istantaneamente nello stato inattivo, anche se è distante anni luce.

I wormhole, d'altra parte, sono una predizione della teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive come gli oggetti massicci deformano lo spazio e il tempo, o lo spaziotempo, per creare gli effetti che chiamiamo gravità. Se un oggetto è abbastanza massiccio, può creare un buco funnellike nello spaziotempo così ripido che nemmeno la luce può sfuggire da esso: un buco nero. In linea di principio, due buchi neri ampiamente separati possono connettersi come trombe a tromba back-to-back per creare una scorciatoia attraverso lo spaziotempo chiamato wormhole.

A prima vista, entanglement e wormhole sembrano entrambi offrire un modo per aggirare il detto di Einstein che nulla può viaggiare più veloce della luce. Ma in entrambi i casi, quella speranza è precipitata. L'entanglement non può essere usato per inviare segnali più veloci della luce perché non è possibile controllare l'uscita della misura sul primo atomo e quindi impostare volontariamente lo stato di quello distante. Allo stesso modo, non si può passare attraverso un wormhole perché è impossibile sfuggire al buco nero dall'altra parte. Eppure, c'è una connessione. A giugno, Juan Maldacena, teorico dell'Istituto di studi avanzati di Princeton, nel New Jersey, e Leonard Susskind, teorico della Stanford University di Palo Alto, in California, ha immaginato di impigliare gli stati quantici di due buchi neri. Hanno quindi immaginato di separare i buchi neri. Quando ciò accade, sostenevano, si formava un tunnel spaziale in buona fede tra i due buchi neri.

Forse non era così sorprendente, perché i ricercatori hanno iniziato con i buchi neri. Ma ora due gruppi di scienziati indipendenti affermano che dovrebbe anche essere possibile creare una connessione wormhole tra due particelle quantiche ordinarie, come i quark che formano protoni e neutroni.

Iniziano Kristan Jensen dell'Università di Victoria in Canada e Andreas Karch dell'Università di Washington, Seattle immaginando una coppia di quark-antiquark aggrovigliata che risiede nello spazio 3D ordinario , come hanno descritto online il 20 novembre a Lettere di revisione fisica . I due quark si allontanano l'uno dall'altro, avvicinandosi alla velocità della luce in modo che diventi impossibile passare segnali dall'uno all'altro. I ricercatori presumono che lo spazio 3D in cui risiedono i quark sia un confine ipotetico di un mondo 4D. In questo spazio 3D, la coppia entangled è collegata da una sorta di stringa concettuale. Ma nello spazio 4D, la stringa diventa un wormhole.

Julian Sonner del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge si basa quindi sul lavoro di Karch e Jensen. lui immagina una coppia di quark-antiquark che esplode in un forte campo elettrico , che quindi invia le particelle caricate in modo opposto accelerando in direzioni opposte. Sonner scopre anche che le particelle entangled nel mondo 3D sono collegate da un wormhole nel mondo 4D, come ha anche riferito online il 20 novembre a Lettere di revisione fisica .

Per arrivare a questo risultato, Jensen, Karch e Sonner usano il cosiddetto principio olografico, un concetto inventato da Maldacena che afferma che una teoria quantistica con gravità in un dato spazio è equivalente a una teoria quantistica senza gravità in uno spazio con uno meno dimensioni che costituiscono il confine dello spazio originale. In altre parole, i buchi neri all'interno dello spazio 4D e un wormhole tra di loro sono matematicamente equivalenti alle loro proiezioni olografiche esistenti sul confine in 3D. Queste proiezioni sono essenzialmente particelle elementari che funzionano secondo le leggi della meccanica quantistica, senza gravità e una stringa che le connette. "Il wormhole e la coppia entangled non vivono nello stesso spazio", dice Karch. Ma, aggiunge, matematicamente sono equivalenti.

Ma quanto è grande questa intuizione? Dipende a chi chiedi. Susskind e Maldacena notano che in entrambi i giornali le particelle quantiche originali risiedono in uno spazio senza gravità. In un modello 3D semplificato e privo di gravità del nostro mondo, non possono esserci buchi neri o wormhole, aggiunge Susskind, quindi la connessione a un wormhole in uno spazio dimensionale superiore è solo un'analogia matematica. L'equivalenza wormhole e entanglement "ha senso solo in teoria con gravità", dice Susskind.

Tuttavia, Karch e colleghi dicono che i loro calcoli sono un primo passo importante verso la verifica della teoria di Maldacena e Susskind. Il loro modello di giocattolo senza gravità, dice Karch, "dà una concreta realizzazione dell'idea che la geometria del tunnel spaziale e l'intreccio possono essere manifestazioni diverse della stessa realtà fisica".

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