Zwaartekracht is de kracht die het universum op de grootste schalen vormgeeft, door het pad van het licht en de stroom van de tijd zelf te buigen. In ons huidige begrip van de natuurkunde wordt deze kracht beschreven door de geometrie van ruimte en tijd, een weefsel dat kan worden uitgerekt, gedraaid en vervormd door materie. Twee van de meest extreme voorspellingen van deze theorie zijn zwarte gaten, regio's waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets kan ontsnappen, en wormgaten, theoretische tunnels die verre delen van het universum met elkaar zouden kunnen verbinden. Decennialang hebben natuurkundigen deze als aparte categorieën objecten behandeld, die vaak verschillende soorten materie of energie vereisen om te bestaan. Een zwart gat is een eenrichtingsval, terwijl een wormgat een brug is die, in theorie, overgestoken zou kunnen worden. De vraag of een enkel fysiek proces van nature tot het een of het ander zou kunnen leiden, afhankelijk van slechts een specifieke instelling, is een puzzel gebleven.

Een nieuwe studie door een team van onderzoekers in Chili, China, Rusland en Azerbeidzjan onderzoekt juist deze vraag met behulp van een wiskundige techniek genaamd gravitationele ontkoppeling. Deze methode stelt wetenschappers in staat om een bekende oplossing voor de vergelijkingen van de zwaartekracht, zoals de beschrijving van een eenvoudig, niet-roterend zwart gat, te nemen en er een nieuwe laag complexiteit aan toe te voegen. Stel je voor dat je begint met een schone, perfecte sfeer en deze vervolgens voorzichtig in een specifieke richting uitrekt. De onderzoekers pasten deze techniek toe op een standaard zwart gat-model, waarbij ze een nieuwe, onzichtbare component van materie introduceerden die met zwaartekracht interageert maar geen energie uitwisselt met het oorspronkelijke zwarte gat. Ze ontdekten dat deze enkele, consistente toevoeging de zwarte gat niet slechts een klein beetje anders maakt. In plaats daarvan dwingt het het universum om te kiezen tussen twee volkomen verschillende realiteiten op basis van één enkel getal dat de sterkte van deze nieuwe interactie regelt.

De onderzoekers begonnen met de klassieke beschrijving van een zwart gat, een regio van de ruimte die wordt gedefinieerd door een specifieke grens genaamd de gebeurtenishorizon, waarbuiten niets kan terugkeren. Vervolgens introduceerden ze een wiskundige functie die beschrijft hoe de nieuwe materie de ruimte rond het zwarte gat uitrekt. Deze functie is vast; deze verandert niet. De enige variabele is een enkel getal, een koppelingssterkte, die bepaalt hoe intensief deze nieuwe materie de geometrie van de ruimte beïnvloedt. Wanneer de onderzoekers dit getal aanpasden, ontdekten ze een scherpe, onverwachte splitsing. Als het getal boven een bepaalde kritieke waarde lag, was het resultaat een bekend zwart gat. De nieuwe materie veranderde de ruimte rond de horizon slechts enigszins, maar het zwarte gat bleef een zwart gat, met een enkele grens en een enkel punt in het centrum.

Echter, wanneer de onderzoekers het getal onder die kritieke drempelwaarde brachten, produceerde dezelfde wiskundige opstelling iets geheel anders. Het punt waar de nieuwe materie de ruimte zo sterk uitrekte dat deze verdween, bleef niet verborgen achter de horizon van het zwarte gat. In plaats daarvan bewoog het naar buiten, in de ruimte waar een waarnemer zich theoretisch zou kunnen bevinden. Op deze nieuwe locatie stort de geometrie van de ruimte op een manier in die het onmogelijk maakt om de regio tussen de oorspronkelijke grens van het zwarte gat en dit nieuwe punt te beschrijven met de standaardregels van de natuurkunde. Het weefsel van ruimte en tijd verloor het vermogen om in die kloof onderscheid te maken tussen verleden en toekomst. Omdat deze kloof niet als een normaal deel van het universum kon bestaan, was de enige manier om de wiskunde kloppend te krijgen om deze geheel weg te snijden.

Wanneer deze verboden regio wordt verwijderd, ziet de resterende ruimte er helemaal niet meer uit als een zwart gat. In plaats daarvan vormt het een brug. Het nieuwe punt waar de ruimte verdween, wordt het smalste deel van een tunnel, die twee gescheiden, identieke universa met elkaar verbindt. Dit is een wormgat. De onderzoekers bewezen dat dit geen geleidelijke transformatie is waarbij een zwart gat langzaam in een wormgat verandert. Er is geen vloeiend pad tussen de twee. Als het koppelingsgetal aan de ene kant van de kritieke waarde staat, is het universum een zwart gat. Als het aan de andere kant staat, is het universum een wormgat. De twee uitkomsten zijn wederzijds uitsluitend; hetzelfde fysieke ingrediënt kan niet beide tegelijk produceren, noch kan het een hybride versie produceren. De keuze is absoluut en wordt bepaald door de waarde van dat enkele getal.

Deze bevinding daagt het idee uit dat zwarte gaten en wormgaten slechts verschillende vormen van hetzelfde object zijn. De studie laat zien dat ze fundamenteel verschillende structuren zijn, zoals twee verschillende gebouwen die uit hetzelfde pakket blauwdrukken kunnen worden gebouwd, afhankelijk van hoe een enkele schakelaar wordt ingesteld. Het ene gebouw heeft een kelder die leidt naar een doodlopende weg, terwijl het andere een tunnel heeft die naar een tweede gebouw leidt. De schakelaar verandert niet de materialen; het verandert de gehele lay-out. De onderzoekers bevestigden ook dat voor het bestaan van de wormgatversie, de nieuwe materie een fundamentele regel van de natuurkunde moet schenden, bekend als de null energy condition. Dit betekent dat de materie eigenschappen moet hebben die niet voorkomen in gewone sterren of gas, en zich op een manier moet gedragen die de ruimte in staat stelt open te blijven in plaats van in te storten. Dit is een bekende vereiste voor wormgaten, en de studie bevestigt dat deze nieuwe methode precies dat soort exotische materie produceert.

De betekenis van dit werk ligt in de helderheid ervan. Het laat zien dat de globale vorm van het universum — of het een valstrik of een brug is — kan worden bepaald door een eenvoudige parameter in de vergelijkingen, zonder dat een complexe verandering in de onderliggende natuurkunde nodig is. De onderzoekers beweerden niet een wormgat aan de hemel te hebben gevonden of er een in een laboratorium te hebben gebouwd. In plaats daarvan hebben zij aangetoond dat de wiskunde van de zwaartekracht zelf een ingebouwde schakelaar bevat. Afhankelijk van hoe een specifieke interactie wordt afgesteld, leidt hetzelfde vertrekpunt tot twee onderscheidende, niet-uitwisselbare realiteiten. Dit biedt een nieuwe manier om na te denken over hoe het universum gestructureerd zou kunnen zijn, en suggereert dat het verschil tussen een zwart gat en een wormgat niet een kwestie is van graad, maar een kwestie van een enkele, beslissende keuze in de wetten van de natuur.