کرم‌چاله‌ای طویل و ناهموار، رابط احتمالی دو سیاه‌چاله
به دلایل واضح، ما نمی‌دانیم درون یک سیاه‌چاله چه شکلی است. اما به لطف فیزیک نظری، می‌توانیم بپرسیم که اگر نظریه گرانش اینشتین و قوانین مکانیک کوانتوم هر دو صادق باشند، این فضای داخلی باید چگونه به نظر برسد. پژوهشی جدید که در مجله Physical Review Letters منتشر شده، با تمرکز بر دو سیاه‌چاله که عمیقاً درهم‌تنیده (یعنی توسط قوانین کوانتومی به هم مرتبط) هستند، دقیقاً به همین پرسش پرداخته است.
ترسیم فضای داخلی
در این پژوهش، دانشمندانی از ایالات متحده و آرژانتین، فضای داخلی مشترک بین این دو جرم آسمانی – یعنی کرم‌چاله‌ای که آنها را به هم متصل می‌کند – را به صورت نظری ترسیم کردند. آنها دریافتند که برای یک زوج درهم‌تنیده‌ی معمولی و آشفته، این فضای داخلی آن تونل صاف و همواری که در داستان‌های علمی-تخیلی می‌بینیم، نیست.
در عوض، با ساختاری دراز و ناهموار روبرو هستیم که آن را «کاترپیلار اینشتین-روزن» نامیده‌اند. این نام از «پل اینشتین-روزن»، یعنی ساختار ریاضی که دو ناحیه از فضا-زمان را به هم متصل می‌کند، و واژه «کاترپیلار» به دلیل شکل ناهموار و قطعه‌قطعه‌ی آن گرفته شده است. این کشف گامی مهم در جهت اثبات این موضوع است که قوانین عجیب مکانیک کوانتوم می‌توانند شکل فضا-زمان را در داخل یک سیاه‌چاله کنترل کنند.
برای ترسیم این فضای داخلی پیچیده، پژوهشگران کار خود را با یک مدل نظری ساده از یک کرم‌چاله کامل و هموار که دارای حالت کوانتومی منظمی است، آغاز کردند. سپس، برای شبیه‌سازی یک زوج سیاه‌چاله آشوبناک، این تیم با استفاده از یک شبیه‌سازی کامپیوتری، ارتباط کوانتومی بین آنها را درهم ریختند. در نهایت، هندسه حاصل از کرم‌چاله را محاسبه کردند. برای پایدار نگه داشتن سیستم در طول این آشوب، کرم‌چاله باید طویل و ناهموار می‌بود.
این یافته یک ارتباط ریاضی مستقیم بین آشوب کوانتومی و اندازه کرم‌چاله را آشکار کرد. هرچه حالت کوانتومی سیاه‌چاله‌ها تصادفی‌تر و آشوبناک‌تر باشد، کرم‌چاله فیزیکی که آنها را به هم متصل می‌کند، پیچیده‌تر می‌شود. پژوهشگران نوشتند: «مجموعه کاترپیلارهای ER با طول متوسط ℓ و مقیاس همبستگی ماده ℓΔ، یک طرح حالت کوانتومی ε-تقریبی برای سیاه‌چاله‌ها به ازای k ~ (ℓ—ℓε)/ ℓΔ تشکیل می‌دهد.»
به چالش کشیدن پارادوکس دیوار آتش
پیامدهای یافتن این کرم‌چاله طویل و پایدارِ کاترپیلاری می‌تواند برای یکی از تعارضات بزرگ در فیزیک، موسوم به پارادوکس دیوار آتش، بسیار عظیم باشد. برخی نظریه‌ها معتقدند که فضای داخلی یک سیاه‌چاله معمولی نباید هموار یا پایدار باشد. در عوض، فضا-زمان می‌تواند در لبه سیاه‌چاله توسط پرده‌ای از انرژی به نام «دیوار آتش» به شدت شکسته شود. اما در مدل‌های مورد مطالعه پژوهشگران، حتی زمانی که درهم‌تنیدگی کوانتومی آشفته و تصادفی است، کرم‌چاله به صورت یک تونل قابل پیش‌بینی و پایدار باقی می‌ماند که در آن قوانین کلاسیک گرانش همچنان برقرار هستند.
این نتیجه از این ایده حمایت می‌کند که دو مورد از عجیب‌ترین مفاهیم فیزیک (درهم‌تنیدگی کوانتومی و کرم‌چاله‌ها) معادل یکدیگر یا دو روی یک سکه هستند؛ یعنی همان حدس ER=EPR. نویسندگان مقاله می‌گویند: «ساختار و نتیجه اصلی این نامه از شکل بسیار عمومی‌تری از ER=EPR پشتیبانی می‌کند و به نظر می‌رسد با استدلال‌های مخالف نیمه‌کلاسیک بودن فضاهای داخلی معمول، در تضاد است.»