Ez az, ami (valószínűleg) létezhet a fekete lyuk másik oldalán

Az elmúlt évtized talán legmeglepőbb tudományos felfedezése az, hogy az univerzum hemzseg a fekete lyukaktól.

Ezeket a lyukakat különböző és meglepő méretekben figyelték meg: némelyik tömege valamivel nagyobb, mint a Nap tömege, míg mások tömege több milliárdszor nagyobb. Különböző módokon is megfigyelték: a lyuk felé eső anyagból származó rádiósugárzáson keresztül; És a körülötte keringő csillagokra gyakorolt ​​hatása révén; Az egyesülésük során kibocsátott gravitációs hullámokon keresztül; És az általa okozott rendkívül furcsa fénytorzuláson keresztül (emlékezzünk az Einstein-gyűrűre, amely a Sagittarius A* képén jelent meg, a Tejútrendszer közepén lévő szupermasszív fekete lyukon, amely nem sokkal ezelőtt a nemzetközi újságok címlapjait díszítette).

A tér, amelyben élünk, nem sima, hanem tele van lyukakkal az égen, mint egy szűrő. Einstein általános relativitáselmélete minden fekete lyuk fizikai tulajdonságait jól megjósolta és leírta.

Minden, amit ezekről a furcsa tárgyakról tudunk, teljesen összhangban van Einstein eddigi elméletével. De van két fő kérdés, amelyre Einstein elmélete nem ad választ.

Az első kérdés: hová jut az anyag, amikor belép a fekete lyukba? A második kérdés: hogyan végződnek a fekete lyukak? Meggyőző elméleti érvek, amelyeket először Stephen Hawking értett meg több évtizeddel ezelőtt, azt sugallják, hogy a távoli jövőben, a méretétől függő élet után egy fekete lyuk összehúzódik (vagy ahogy a fizikusok mondják, „elpárolog”), forró sugárzást bocsátva ki. most Hawking néven ismert.

Emiatt a lyuk egyre kisebb lesz, egészen addig, amíg nagyon kicsi nem lesz. De mi lesz ezután? Erre a két kérdésre még nem kapott választ, és Einstein elmélete sem ad választ, az az, hogy mindkettő a téridő kvantum aspektusait foglalja magában.

Ez azt jelenti, hogy mindkettő magában foglalja a kvantumgravitációt, de még nincs szilárd elméletünk a kvantumgravitációról.

Próbálj meg válaszolni

De van remény, mert vannak kísérletező elméleteink. Ezeket az elméleteket még nem bizonyították, mert kísérletekkel vagy megfigyelésekkel még nem támasztották alá őket.

De elég fejlettek ahhoz, hogy kísérleti választ adjanak nekünk erre a két fontos kérdésre. Ezért ezeket az elméleteket felhasználhatjuk arra, hogy megalapozott sejtést adjunk arról, hogy mi történik.

Nem meghatározott

A kvantumtéridő talán legrészletesebb és legfejlettebb elmélete a hurokkvantumgravitáció vagy LQG – egy kísérleti kvantumgravitációs elmélet, amely az 1980-as évek vége óta folyamatosan fejlődik.

Ennek az elméletnek köszönhetően érdekes válasz jelent meg ezekre a kérdésekre. Ezt a választ a következő forgatókönyv mutatja be. A fekete lyuk belseje addig fejlődik, amíg el nem éri azt a szakaszt, ahol a kvantumhatások kezdenek dominálni.

Ez erős taszító erőt hoz létre, amely tükrözi az összeomló fekete lyuk belsejének dinamikáját, aminek hatására az „pattanni kezd”. A kvantumgravitáció elmélete által leírt kvantumfázis után a lyukban lévő téridő ismét engedelmeskedik Einstein elméletének, kivéve, hogy a fekete lyuk most tágul, ahelyett, hogy összehúzódna.

A fekete lyukak tágulásának lehetőségét valójában Einstein elmélete jósolta meg, ugyanúgy, ahogy azt a fekete lyukak is megjósolták. Ez évtizedek óta ismert lehetőség; Ennek a téridő-tartománynak még neve is van: „fehér lyuk”.

Olvass tovább:

Ugyanaz az ötlet, de fordítva

A név azt az elképzelést tükrözi, hogy a fehér lyuk bizonyos értelemben a fekete lyuk ellentéte. Ugyanúgy gondolhatunk rá, hogy a felfelé pattanó labda egy felfelé ívelő utat követ, amely ellentéte annak a lefelé pályának, amelyen a labda leesett.

A fehér lyuk a fekete lyukhoz hasonló tér-idő szerkezet, de az idő megfordult. A fekete lyuk belsejében dolgok hullanak; De a fehér lyukon belül a dolgok kifelé mozognak. Semmi sem kerülhet ki a fekete lyukból; Hasonlóképpen, semmi sem léphet be a fehér lyukba.

Kívülről nézve az történik, hogy a párolgási folyamat végén a fekete lyuk, amely ma már kicsi, mert tömegének nagy részét elpárologtatta, egy kis fehér lyukká változik. Az LQG rámutat arra, hogy az ilyen struktúrák a kvantumhatások hatására szinte stabillá válnak, és ezért hosszú ideig fennmaradhatnak.

A fehér lyukakat néha „maradványoknak” nevezik, mert ezek maradnak meg a fekete lyuk elpárolgása után. A fekete lyukból a fehér lyukba való átmenetet „kvantumugrásnak” tekinthetjük. Ez hasonlít Niels Bohr dán fizikus kvantumugrás koncepciójához, ahol az elektronok az egyik atompályáról a másikra ugranak, amikor megváltoztatják az energiájukat.

A kvantumugrások hatására az atomok fotonokat bocsátanak ki, ezek okozzák azt a fényt, amely lehetővé teszi számunkra, hogy lássunk dolgokat. De a kvantumgravitáció elmélete megjósolja ezeknek az apró maradványoknak a méretét. Ezért egy jellegzetes fizikai eredmény: a geometriai kvantálás. Különösen a kvantumgravitáció elmélete azt jósolja, hogy bármely felület területének csak bizonyos diszkrét értékei lehetnek.

A fehér lyuk maradványhorizontjának területét a legkisebb nem eltűnő értékkel kell meghatározni. Ez egy fehér lyuknak felel meg, amelynek tömege egy mikrogramm töredéke: nagyjából egy emberi hajszál tömege.

Ez a forgatókönyv választ ad a korábban feltett két kérdésre. A párolgási folyamat végén az történik, hogy a kvantumfekete lyuk egy kicsi, hosszú élettartamú fehér lyukba ugrik. A fekete lyukba eső anyag később előkerülhet ebből a fehér lyukból.

Az anyag energiájának nagy részét már felszabadította a Hawking-sugárzás – a fekete lyuk által kibocsátott alacsony energiájú sugárzás a kvantumhatások miatt, amelyek elpárologtatják. A fehér lyukból nem a beleesett anyag energiája jön ki, hanem a megmaradt kisenergiájú sugárzás, amely mindazonáltal hordozza az összes megmaradt információt a beleesett anyagról.

Az egyik érdekes lehetőség, amelyet ez a forgatókönyv feltár, az, hogy a titokzatos sötét anyag, amelynek nyomait a csillagászok látják az égen, valójában részben vagy egészben az ősi, elpárolgó fekete lyukak által létrehozott apró fehér lyukakból keletkezhetett. Ezek a lyukak a világegyetem korai szakaszában keletkezhettek, talán az Ősrobbanás előtt, amit a kvantumgravitáció elmélete is megjósolni látszik.

Ez egy vonzó lehetséges megoldás a sötét anyag természetének rejtélyére, mert a sötét anyag megértését kizárólag az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika, a természet két jól megalapozott aspektusa alapján teszi lehetővé. Nem ad hozzá véletlenszerű mezőrészecskéket vagy új dinamikai egyenleteket, ahogy a legtöbb alternatív kísérleti hipotézis a sötét anyaggal kapcsolatban teszi.

Következő lépések

Tehát észlelhetjük a fehér lyukakat? A fehér lyukak közvetlen megfigyelése nehéz lesz, mert ezek a kis tárgyak a gravitáció révén szinte egyedülálló módon kölcsönhatásba lépnek a térrel és az őket körülvevő anyaggal, ami rendkívül gyenge.

Nem könnyű felismerni egy hajszálat önmagában a gravitációjával. De talán már nem lesz lehetetlen a technológia fejlődésével. A kvantumtechnológián alapuló detektorok felhasználásával kapcsolatban már felmerültek ötletek.

Ha a sötét anyag fehér lyukmaradványokból áll, egy egyszerű becslés azt mutatja, hogy néhány ilyen tárgy naponta átrepülhet egy akkora területen, mint egy nagy szoba. Egyelőre ezt a forgatókönyvet kell tanulmányoznunk, és azt, hogy az hogyan illeszkedik az univerzumról ismereteinkhez, miközben arra várunk, hogy a technológia segítsen nekünk közvetlenül észlelni ezeket az objektumokat.

De meglepő módon ezt a forgatókönyvet korábban nem vették figyelembe. Az ok egy olyan hipotézisre vezethető vissza, amelyet sok húrelméleti háttérrel rendelkező teoretikus felkarolt: az úgynevezett „holografikus” hipotézis erős változata.

E hipotézis szerint egy kis fekete lyukban az információ szükségszerűen kicsi, ami ellentmond a fenti elképzelésnek. A hipotézis az örökkévaló fekete lyukak gondolatán alapul: technikailag az az elképzelés, hogy a fekete lyuk horizontja szükségszerűen „esemény” horizont (az „esemény” horizont definíció szerint örökkévaló horizont). Ha a horizont örök, akkor az, ami belül történik, gyakorlatilag örökre elveszett, és egy fekete lyuk egyedülállóan különbözik a kívülről láthatótól.

De a kvantumgravitációs jelenségek megzavarják a horizontot, amikor az kicsivé válik, és megakadályozza, hogy örökkévaló legyen. Ezért a fekete lyuk horizontja nem lehet „esemény” horizont. A benne lévő információ nagy lehet, még akkor is, ha kicsi a horizont, és a fekete lyuk szakasza után, a fehér lyuk szakaszában visszanyerhető.

Érdekes módon, amikor a fekete lyukakat elméletileg tanulmányozták és kvantumtulajdonságaikat figyelmen kívül hagyták, az örök horizontot tekintették meghatározó tulajdonságuknak. Most, hogy a fekete lyukakat valóságos égi objektumként értelmezzük, és kutatjuk kvantumtulajdonságaikat, rájövünk, hogy az az elképzelés, hogy horizontjuknak örökkévalónak kell lennie, csak egy ideál volt.

A valóság árnyaltabb. Talán semmi sem örök, még a fekete lyuk horizontja sem.

Olvass tovább: