Het verband tussen de theorieën van Einstein – de Einstein-Rosen-brug (wormgaten) en de Einstein-Podolsky-Rosen (verstrengelde deeltjes) – heeft natuurkundigen al lang geïntrigeerd. Nieuw onderzoek suggereert dat dit verband, wanneer toegepast op zwarte gaten, complexer en ‘klonteriger’ is dan eerder werd gedacht, wat resulteert in wat onderzoekers ‘Einstein-Rosen-rupsen’ noemen.
Kwantumverstrengeling en zwarte gaten: een theoretisch verband
In 2013 stelden Juan Maldacena en Leonard Susskind een overtuigend idee voor: de kwantumverstrengeling van twee deeltjes en het bestaan van wormgaten zouden wiskundig gelijkwaardig kunnen zijn als we kijken naar zwarte gaten. Dit suggereert dat twee zwarte gaten, onlosmakelijk met elkaar verbonden door een kwantumverbinding, mogelijk een tunnel door de ruimtetijd zouden kunnen creëren.
Een recent onderzoek onder leiding van Brian Swingle aan de Brandeis University heeft echter nuance aan dit inzicht toegevoegd. Door een groep verstrengelde zwarte gaten te analyseren ontdekten Swingle en zijn team dat de verbinding niet altijd soepel en voorspelbaar is; in plaats daarvan heeft het een hobbelige, met materie gevulde structuur.
Het ontrafelen van het interieur van zwarte gaten
Het bestuderen van deze wormgaten biedt een unieke kans om de binnenkant van zwarte gaten te onderzoeken. Deze interieurs blijven raadselachtig vanwege de enorme zwaartekracht die een rol speelt, waardoor ze moeilijk direct te bestuderen zijn. Interessant is dat wiskundige modellen aangeven dat de grootte van het interieur van een zwart gat correleert met de complexiteit ervan – hoe ingewikkeld het is op het fundamentele kwantumniveau. Het team van Swingle breidde deze logica uit om te onderzoeken of een soortgelijk principe van toepassing is op wormgaten die paren van zwarte gaten verbinden.
Een complexe berekening: de werkelijkheid simuleren met kwantumfysica en zwaartekracht
Voor een alomvattend begrip van de verstrengeling van zwarte gaten zou een uniforme theorie van de kwantumzwaartekracht nodig zijn, een theorie die natuurkundigen momenteel ontgaat. In plaats daarvan gebruikte het team van Swingle een model dat de kloof tussen de kwantumfysica en de zwaartekracht overbrugt, inzichten biedt en tegelijkertijd de onvolledige aard ervan erkent.
De “Caterpillar”-structuur: materie, lengte en kwantumwillekeurigheid
De berekeningen van het team onthulden een directe relatie tussen de hoeveelheid microscopische kwantumwillekeurigheid die een wormgat bevat en de geometrische lengte ervan. Hun bevindingen gaven aan dat het onwaarschijnlijk is dat deze wormgaten perfect glad zijn. Ze zijn gevoeliger voor het bevatten van bultjes gemaakt van materie – een kenmerk dat leidde tot de ‘rups’-analogie. Dit staat in contrast met het resultaat uit 2013, dat van toepassing zou kunnen zijn op specifieke, minder vaak voorkomende scenario’s waarin de verstrengelde toestand van de zwarte gaten tot een soepele verbinding leidt.
Het nieuwe onderzoek voegt inzicht toe in verstrengelde zwarte gaten, maar beschrijft nog steeds niet het meest voorkomende geval van een dergelijke verstrengeling.
– Donald Marolf, Universiteit van Californië, Santa Barbara
Toekomstige richtingen: kwantumcomputing en een dieper begrip
Donald Marolf van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, merkt op dat het onderzoek weliswaar waardevol is, maar nog niet het meest typische verstrengelingsscenario beschrijft. Het enorme aantal theoretisch mogelijke toestanden van zwarte gaten – die veel groter zijn dan het aantal zwarte gaten in ons universum – onderstreept de noodzaak van verder theoretisch onderzoek om de meest waarschijnlijke verbonden toestand van een paar zwarte gaten te bepalen.
Vooruitkijkend stelt Swingle voor om kwantumcomputers te gebruiken om deze kosmische zwarte gaten en ‘rupswormgaten’ te simuleren. De aanpak van zijn team, die kwantumfysica en zwaartekracht integreert, duidt op de mogelijkheid dat steeds krachtigere kwantumcomputers inzichten kunnen bieden in zowel de kwantumtheorie als nieuwe concepten met betrekking tot zwaartekracht. Bovendien zou de studie van de mysteries van de zwaartekracht potentieel innovatieve kwantumcomputeralgoritmen kunnen inspireren.
Concluderend werpt dit onderzoek licht op de complexe aard van wormgaten die verstrengelde zwarte gaten met elkaar verbinden, waardoor een potentieel hobbelige, met materie gevulde structuur zichtbaar wordt. Hoewel een volledige theorie over kwantumzwaartekracht ongrijpbaar blijft, belooft lopend onderzoek – inclusief het mogelijke gebruik van kwantumcomputers – ons begrip van deze fascinerende kosmische verbindingen en de mysterieuze binnenkant van zwarte gaten te verdiepen.
