Maskhål är ett populärt inslag inom science fiction, medel genom vilka rymdfarkoster kan uppnå snabbare än ljus (FTL) resa och omedelbart förflytta sig från en punkt i rymdtiden till en annan. Och medan den allmänna relativitetsteorin förbjuder existensen av "genomförbara maskhål, "När forskning har visat att de faktiskt är möjliga inom kvantfysikens domän.

De enda nackdelarna är att de faktiskt skulle ta längre tid att passera än normalt utrymme och/eller troligen vara mikroskopiska. I en ny studie utförd av ett par Ivy League-forskare, existensen av fysik bortom standardmodellen kan betyda att det finns maskhål där ute som inte bara är tillräckligt stora för att kunna passera, men helt säkert för mänskliga resenärer som vill ta sig från punkt A till punkt B.

Studien, med titeln "Människligt genomkörbara maskhål, " dirigerades av Juan Maldacena, 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 att postulera 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 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, genomkörbara maskhål kräver 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, de hävdar, är Casimir-effekten, där kvantfält producerar negativ energi medan de fortplantar sig längs en sluten cirkel.

"Dock, denna effekt är vanligtvis liten eftersom den är kvant. I vår tidigare tidning, vi insåg 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, dessa färdas längs magnetfältslinjerna (på ett sätt som liknar hur solvindens laddade partiklar skapar norrsken nära jordens polära områden)."

Dessa partiklar kan färdas i en cirkel genom att gå in på en plats och dyka upp där de började i omgivande platta utrymme. Detta innebär 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 rumtiden som inte kommer att kollapsa innan något har en chans att korsa den.

Sådana maskhål är möjliga baserat på materia som är en del av standardmodellen för partikelfysik. Det enda problemet är att dessa maskhål måste vara mikroskopiska i storlek och bara existera över mycket små avstånd. För mänskliga resor, maskhålen måste vara stora, som kräver fysik utöver standardmodellen.

För Maldacena och Milekhin, det är här Randall-Sundrum II-modellen (alias femdimensionell skev geometriteori) kommer in i bilden. Uppkallad efter de teoretiska fysikerna Lisa Randall och Raman Sundrum, denna modell beskriver 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 det skulle ha undgått upptäckt eftersom det kopplas ihop med vår materia endast genom gravitationen. Faktiskt, dess fysik liknar att lägga till många starkt interagerande masslösa fält till den kända fysiken. Och av denna anledning, det kan ge upphov till den negativa energin som krävs."

Från utsidan, Maldacena och Milekhin drog slutsatsen att dessa maskhål skulle likna medelstora, laddade svarta hål som skulle generera lika kraftfulla tidvattenkrafter som rymdfarkoster skulle behöva vara försiktiga med. Att göra det, de hävdar, en potentiell resenär skulle behöva en mycket stor boostfaktor när de passerar genom mitten av maskhålet.

Förutsatt att det är möjligt, frågan kvarstår 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 möjligt, stabila maskhål skulle faktiskt ta längre tid att passera än normalt utrymme.

Enligt Maldacena och Milekhins arbete, dock, deras maskhål skulle ta nästan ingen tid att korsa ur resenärens perspektiv. Ur en utomståendes perspektiv, restiden skulle bli mycket längre, vilket är förenligt med allmän relativitet – där människor som reser nära ljusets hastighet kommer att uppleva tidsutvidgning (d.v.s. tiden saktar ner). Som Maldacena och Milekhin uttryckte det:

"]F]eller astronauter som går genom maskhålet, det skulle bara ta en sekund av deras tid att resa 10, 000 ljusårs avstånd (ungefär 5000 miljarder miles eller 1/10 av Vintergatans storlek). En observatör som inte går genom maskhålet och stannar utanför ser dem ta mer än 10, 000 år. Och allt detta utan användning av bränsle, eftersom gravitationen accelererar och bromsar rymdskeppet."

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 scenario för rymdutforskning, en pilot skulle behöva navigera maskhålets tidvattenkrafter för att placera sin rymdfarkost precis rätt, och låt sedan naturen göra resten. En sekund senare, de skulle 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, Maldacena och Milekhins arbete uppvisar några betydande nackdelar, också. Till att börja, de betonar att genomflyttbara maskhål skulle behöva konstrueras med hjälp av negativ massa eftersom det inte finns någon rimlig mekanism för naturlig bildning.

Även om detta är möjligt (åtminstone i teorin), de nödvändiga rumtidskonfigurationerna skulle behöva vara närvarande i förväg. Ändå, massan och storleken är så stor att uppgiften skulle vara bortom all praktisk teknik vi kan förutse. Andra, dessa maskhål skulle bara vara säkra om rymden var kall och platt, vilket inte är fallet utöver Randall Sundrum II-modellen.

Ovanpå allt det, alla föremål som kommer in i maskhålet skulle accelereras och även närvaron av genomträngande kosmisk bakgrundsstrålning skulle vara en betydande fara. Dock, Maldacena och Milekhin understryker att deras studie genomfördes i syfte att visa att genomflyttbara maskhål kan existera som ett resultat av "det subtila samspelet mellan allmän relativitetsteori och kvantfysik."

Kortfattat, 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. Ändå, Att veta att ett stort inslag i science fiction inte ligger utanför möjligheternas område är verkligen uppmuntrande.