Ein Modell, das den Zusammenhang zwischen verschränkten Teilchen und Wurmlöchern in der Allgemeinen Relativitätstheorie untersucht

Quantenverschränkung ist ein physikalischer Prozess, durch den Teilchenpaare verbunden werden und dies auch dann bleiben, wenn sie über weite Entfernungen voneinander entfernt sind. Dieses faszinierende Phänomen stand aufgrund seiner mysteriösen Natur und vielversprechenden praktischen Anwendungen im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsstudien.

Ben Kain, ein Forscher am College of the Holy Cross, stellte kürzlich ein simulationsbasiertes Modell vor, das den möglichen Zusammenhang zwischen verschränkten Teilchen und Wurmlöchern skizziert, hypothetische Verbindungen zwischen entfernten Regionen in der Raumzeit. Sein Modell, vorgestellt in Briefe zur körperlichen Untersuchungist ein konkreter Rahmen, der zum Testen und Studieren neuer Theorien der Physiker Juan Maldacena und Leonard Susskind verwendet werden könnte.

„2019 habe ich etwas untersucht, das Dirac-Sterne genannt wird“, sagte Kain gegenüber Phys.org. „Fermionen, die durch die Dirac-Gleichung beschrieben werden, haben bei Kopplung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie sternähnliche Lösungen, in denen die Fermionen ihre Konfiguration durch ihre Gravitationswechselwirkung beibehalten können. Als Randbemerkung: Traditionelle Beschreibungen von Sternen, die natürlich mit gefüllt sind Fermionen erklären die allgemeine Relativitätstheorie nicht vollständig.

Mit Hilfe zweier Studenten am College of the Holy Cross schrieb Kain zuvor Code, der es ihm ermöglichen würde, Dirac-Sterne zu simulieren. Vor einigen Jahren entdeckten andere Forscher, dass diese Dirac-Systeme, wenn sie eine elektrische Ladung enthalten, Wurmlöcher enthalten könnten.

Wurmlöcher sind Lösungen für Einsteins Feldgleichungen der Schwerkraft, die man sich als Tunnel vorstellen kann, deren zwei Enden an weit entfernten Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten liegen. Jüngste Arbeiten, die darauf hindeuten, dass Dirac-Sterne mit elektrischen Ladungen über Wurmlochlösungen verfügen, gehen davon aus, dass die Wurmlöcher durchquerbar seien, was bedeutet, dass Teilchen von einer Seite zur anderen wandern könnten.

„Ich dachte, es wäre sehr interessant, wenn ich dieses Wurmloch simulieren und bestätigen könnte, ob das Wurmloch durchquerbar ist“, sagte Kain. „Das Dirac-System, auf das ich mich konzentriert habe, nutzt zwei Fermionen (d. h. zwei Teilchen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen). Meine Simulationen erfordern, dass das System sphärisch symmetrisch ist, da es dadurch einfacher zu lösen ist. Das Ganze muss sphärisch symmetrisch sein Der Drehimpuls des Systems muss Null sein. Dies führt dazu, dass sich die beiden Fermionen in einem Zustand befinden, der als „Singulett-Zustand“ bezeichnet wird und die Teilchen verschränkt.

Vor etwa einem Jahrzehnt stellten die Physiker Maldacena und Susskind die Idee vor, dass verschränkte Teilchen durch Wurmlöcher verbunden sind. Dies ist eine kühne und radikale Vermutung, da sie eine gravitationsbezogene Erklärung (z. B. Wurmlöcher) für ein quantenmechanisches Phänomen (z. B. Verschränkung) bietet.

„Verschränkung erfordert eine Kommunikation, die schneller als Licht ist, obwohl diese Kommunikation, die schneller als Licht ist, von Menschen nicht ausgenutzt werden kann, um einander Nachrichten schneller als Licht zu senden“, erklärte Kain. „Maldacena und Susskind schlugen vor, dass diese überlichtschnelle Kommunikation durch ein Wurmloch erfolgen könnte. Sie schlugen außerdem vor, dass das Wurmloch nicht durchquerbar sein muss (d. h. Menschen können nicht durch das Wurmloch reisen), um damit im Einklang zu stehen, dass Menschen es nicht ausnutzen können System zum Versenden von Nachrichten schneller als Licht.

In seiner jüngsten Arbeit stellte Kain ein neues Modell vor, das bei der Erforschung der Hypothese von Maldacena und Susskind helfen könnte. Dieses Modell basiert auf der Simulation zweier verschränkter Fermionen, die durch ein Wurmloch verbunden sind.

Bei der Durchführung dieser Simulation stellte Kain fest, dass sich in diesem Szenario schnell schwarze Löcher bilden, die beide Enden des Wurmlochs bedecken. Diese Schwarzen Löcher machen das Wurmloch letztendlich unpassierbar, was bedeutet, dass nichts durch das Wurmloch hindurchgehen und das andere Ende erreichen kann.

„Da das Modell zwei verschränkte Fermionen beschreibt, die durch ein nicht durchquerbares Wurmloch verbunden sind, ist es ein konkretes Modell für die Untersuchung der Vermutung von Maldacena und Susskind“, sagte Kain. „Sie nannten ihre Vermutung ER = EPR. ER steht für eine Einstein-Rosen-Brücke, was der erste Name für ein Wurmloch war. EPR steht für Einstein-Podolsky-Rosen, die als erste Menschen verschränkte Teilchen untersuchten. Das Modell, das ich untersucht habe ist somit ein konkretes Beispiel für ER = EPR.“

In diesem aktuellen Artikel wird ein neues Modell vorgestellt, um den möglichen Zusammenhang zwischen Quantenverschränkung und Wurmlöchern zu untersuchen. Kain hofft, dass die Forscher durch die weitere Untersuchung seines Modells feststellen können, ob die Hypothese von Maldacena und Susskind richtig ist, und gleichzeitig feststellen können, wie ein Wurmloch eine überlichtschnelle Kommunikation ermöglichen könnte, was eine Schlüsselvoraussetzung für die Verschränkung ist.

„Eine Idee, die ich für zukünftige Arbeiten habe, besteht darin, die Simulationen so zu erweitern, dass Materie in eine Seite des Wurmlochs und damit in ein Schwarzes Loch und durch das Wurmloch wandern kann“, fügte Kain hinzu. „Mich interessiert, wie sich das auf das System auswirken könnte.“

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