To właśnie może (prawdopodobnie) istnieć po drugiej stronie czarnej dziury

Być może najbardziej zaskakującym odkryciem naukowym ostatniej dekady jest to, że we wszechświecie roi się od czarnych dziur.

Zaobserwowano te dziury w różnych i zaskakujących rozmiarach: niektóre o masie nieco większej niż masa Słońca, a inne o masie miliardy razy większej. Obserwowano je również na różne sposoby: poprzez emisję radiową materiału opadającego w kierunku dziury; I poprzez swój wpływ na gwiazdy, które krążą wokół niego; Poprzez fale grawitacyjne emitowane podczas ich łączenia; I poprzez niezwykle dziwne zniekształcenie światła, które powoduje (pamiętajcie pierścień Einsteina, który pojawił się na zdjęciach Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, która niedawno zdobiła pierwsze strony międzynarodowych gazet).

Przestrzeń, w której żyjemy, nie jest gładka, ale raczej pełna dziur w niebie, jak sitko. Ogólna teoria względności Einsteina dobrze przewidziała i opisała właściwości fizyczne wszystkich czarnych dziur.

Wszystko, co wiemy o tych dziwnych obiektach, jest całkowicie zgodne z dotychczasową teorią Einsteina. Istnieją jednak dwa główne pytania, na które teoria Einsteina nie daje odpowiedzi.

Pierwsze pytanie brzmi: dokąd trafia materia, gdy wchodzi do czarnej dziury? Drugie pytanie brzmi: jak kończą się czarne dziury? Przekonujące argumenty teoretyczne, po raz pierwszy zrozumiane przez Stephena Hawkinga kilkadziesiąt lat temu, sugerują, że w odległej przyszłości, po życiu zależnym od jej wielkości, czarna dziura skurczy się (lub, jak mówią fizycy, „odparuje”), emitując gorące promieniowanie obecnie znane jako promieniowanie Hawkinga.

Powoduje to, że dziura staje się coraz mniejsza, aż staje się bardzo mała. Ale co się stanie później? Powodem, dla którego na te dwa pytania nie ma jeszcze odpowiedzi, a teoria Einsteina nie daje odpowiedzi, jest to, że oba dotyczą kwantowych aspektów czasoprzestrzeni.

Oznacza to, że oba dotyczą grawitacji kwantowej, ale nie mamy jeszcze solidnej teorii grawitacji kwantowej.

Spróbuj odpowiedzieć

Ale jest nadzieja, ponieważ mamy wstępne teorie. Teorie te nie zostały jeszcze udowodnione, ponieważ nie zostały jeszcze poparte eksperymentami i obserwacjami.

Są jednak na tyle zaawansowane, że mogą udzielić nam wstępnych odpowiedzi na te dwa ważne pytania. Możemy zatem wykorzystać te teorie, aby wyciągnąć świadome przypuszczenie na temat tego, co się dzieje.

Nie określono

Być może najbardziej szczegółową i zaawansowaną teorią czasoprzestrzeni kwantowej jest pętlowa grawitacja kwantowa, w skrócie LQG – eksperymentalna teoria grawitacji kwantowej, która rozwija się stale od końca lat 80. XX wieku.

Dzięki tej teorii pojawiła się ciekawa odpowiedź na te pytania. Odpowiedź tę przedstawiono w następującym scenariuszu. Wnętrze czarnej dziury ewoluuje, aż osiągnie etap, w którym zaczynają dominować efekty kwantowe.

Tworzy to silną siłę odpychającą, która odzwierciedla dynamikę wnętrza zapadającej się czarnej dziury, powodując jej „odbicie”. Po tej fazie kwantowej, opisanej przez teorię grawitacji kwantowej, czasoprzestrzeń wewnątrz dziury ponownie jest zgodna z teorią Einsteina, z tą różnicą, że czarna dziura teraz się rozszerza, a nie kurczy.

Możliwość ekspansji czarnej dziury została faktycznie przewidziana przez teorię Einsteina, w taki sam sposób, w jaki przewidywały to czarne dziury. Jest to możliwość znana od dziesięcioleci; Ten odpowiedni obszar czasoprzestrzeni ma nawet nazwę: „biała dziura”.

Czytaj więcej:

Ten sam pomysł, ale w odwrotnej kolejności

Nazwa odzwierciedla pogląd, że biała dziura jest w pewnym sensie przeciwieństwem czarnej dziury. Możemy o tym myśleć w ten sam sposób, w jaki piłka odbijająca się w górę podąża w górę ścieżką przeciwną do ścieżki w dół, gdy piłka spadła.

Biała dziura jest strukturą czasoprzestrzenną podobną do czarnej dziury, ale z odwróconym czasem. Wewnątrz czarnej dziury wszystko spada; Ale wewnątrz białej dziury wszystko porusza się na zewnątrz. Nic nie może wydostać się z czarnej dziury; Podobnie nic nie może dostać się do białej dziury.

Patrząc na to z zewnątrz, pod koniec procesu parowania czarna dziura, która jest teraz mała, ponieważ odparowała większość swojej masy, zamienia się w małą białą dziurę. LQG zwraca uwagę, że takie struktury stają się prawie stabilne dzięki efektom kwantowym i dlatego mogą przetrwać przez długi czas.

Białe dziury są czasami nazywane „pozostałościami”, ponieważ są pozostałością po wyparowaniu czarnej dziury. Przejście z czarnej dziury do białej dziury można uznać za „skok kwantowy”. Przypomina to koncepcję skoków kwantowych duńskiego fizyka Nielsa Bohra, w której elektrony przeskakują z jednego orbitalu atomowego na drugi, gdy zmieniają swoją energię.

Skoki kwantowe powodują, że atomy emitują fotony, które powodują emisję światła, które pozwala nam widzieć rzeczy. Jednak teoria grawitacji kwantowej przewiduje rozmiar tych maleńkich pozostałości. Stąd charakterystyczny wynik fizyki: kwantyzacja geometrii. W szczególności teoria grawitacji kwantowej przewiduje, że obszar dowolnej powierzchni może mieć tylko pewne dyskretne wartości.

Obszar horyzontu pozostałości białej dziury należy określić na podstawie najmniejszej nie znikającej wartości. Odpowiada to białej dziurze o masie ułamka mikrograma, czyli mniej więcej wadze ludzkiego włosa.

Ten scenariusz odpowiada na dwa pytania postawione wcześniej. Pod koniec procesu parowania kwantowa czarna dziura wskakuje do małej, długowiecznej białej dziury. Materia wpadająca do czarnej dziury może później z niej wyjść.

Większość energii materii została już uwolniona przez promieniowanie Hawkinga – niskoenergetyczne promieniowanie emitowane przez czarną dziurę w wyniku efektów kwantowych powodujących jej parowanie. Z białej dziury wychodzi nie energia materii, która do niej wpadła, ale raczej pozostałe promieniowanie niskoenergetyczne, które mimo wszystko niesie ze sobą wszystkie pozostałe informacje o materii, która do niej wpadła.

Jedną z intrygujących możliwości, jakie otwiera ten scenariusz, jest to, że tajemnicza ciemna materia, której ślady astronomowie widzą na niebie, mogła w rzeczywistości uformować się, w całości lub w części, z maleńkich białych dziur generowanych przez starożytne, parujące czarne dziury. Dziury te mogły powstać we wczesnych stadiach istnienia Wszechświata, być może przed Wielkim Wybuchem, co zdaje się również przewidywać teoria grawitacji kwantowej.

Jest to atrakcyjne potencjalne rozwiązanie zagadki natury ciemnej materii, ponieważ umożliwia zrozumienie ciemnej materii w oparciu wyłącznie o ogólną teorię względności i mechanikę kwantową, czyli dwa dobrze ugruntowane aspekty natury. Nie dodaje również losowych cząstek pola ani nowych równań dynamicznych, jak robi to większość alternatywnych hipotez eksperymentalnych na temat ciemnej materii.

Następne kroki

Czy możemy wykryć białe dziury? Bezpośrednia obserwacja białych dziur będzie trudna, ponieważ te małe obiekty oddziałują z przestrzenią i otaczającą je materią niemal wyłącznie poprzez grawitację, która jest niezwykle słaba.

Nie jest łatwo wykryć włos wyłącznie na podstawie jego grawitacji. Ale być może wraz z postępem technologii nie będzie to już niemożliwe. Pojawiły się już pomysły, jak to zrobić z wykorzystaniem detektorów opartych na technologii kwantowej.

Jeśli ciemna materia składa się z pozostałości białych dziur, proste szacunki pokazują, że kilka takich obiektów może codziennie przelatywać przez obszar wielkości dużego pokoju. Na razie musimy przestudiować ten scenariusz i sprawdzić, czy pasuje on do naszej wiedzy o wszechświecie, czekając na technologię, która pomoże nam bezpośrednio wykryć te obiekty.

Ale, co zaskakujące, ten scenariusz nie był wcześniej brany pod uwagę. Przyczyny można doszukiwać się w hipotezie przyjętej przez wielu teoretyków z doświadczeniem w teorii strun: mocnej wersji tak zwanej hipotezy „holograficznej”.

Zgodnie z tą hipotezą informacja znajdująca się wewnątrz małej czarnej dziury jest z konieczności niewielka, co jest sprzeczne z powyższą koncepcją. Hipoteza opiera się na idei wiecznych czarnych dziur: technicznie rzecz biorąc, na idei, że horyzont czarnej dziury jest z konieczności horyzontem „zdarzeń” (horyzont „zdarzeń” jest z definicji horyzontem wiecznym). Jeśli horyzont jest wieczny, to to, co dzieje się w środku, zostaje w rzeczywistości utracone na zawsze, a czarna dziura jest wyjątkowo odmienna od tego, co można zobaczyć z zewnątrz.

Jednak zjawiska grawitacji kwantowej zakłócają horyzont, gdy staje się on mały, uniemożliwiając mu trwałość. Dlatego horyzont czarnej dziury nie może być horyzontem „zdarzeń”. Informacje w nim zawarte mogą być duże, nawet gdy horyzont jest mały, i można je odzyskać po fazie czarnej dziury, podczas fazy białej dziury.

Co ciekawe, gdy teoretycznie badano czarne dziury i ignorowano ich właściwości kwantowe, wieczny horyzont był postrzegany jako ich cecha definiująca. Teraz, gdy rozumiemy czarne dziury jako rzeczywiste obiekty na niebie i badamy ich właściwości kwantowe, zdajemy sobie sprawę, że pomysł, że ich horyzonty powinny być wieczne, był po prostu ideałem.

Rzeczywistość jest bardziej zniuansowana. Być może nic nie jest wieczne, nawet horyzont czarnej dziury.

Czytaj więcej: