Oto jesteś, który ma zamiar wskoczyć do czarnej dziury. Co może poczekać - wbrew wszelkim przeciwnościom - jakoś przetrwać? Gdzie byś skończył i jakie kuszące opowieści byłbyś w stanie oczarować, gdyby udało ci się wskoczyć z powrotem?
Prosta odpowiedź na wszystkie te pytania brzmi, jak wyjaśnia profesor Richard Massey: „Kto wie?” Jako pracownik naukowy Royal Society w Institute for Computational Cosmology na Uniwersytecie Durham, Massey jest w pełni świadomy, że tajemnice czarnych dziur sięgają głęboko. „Wypadnięcie przez horyzont zdarzeń dosłownie przechodzi poza zasłonę - gdy ktoś go przekroczy, nikt nie może odesłać z powrotem wiadomości” - powiedział. „Zostaliby rozerwani na strzępy przez ogromną grawitację, więc wątpię, żeby ktokolwiek wpadł gdziekolwiek.”
Jeśli brzmi to jak rozczarowująca i bolesna odpowiedź, należy się tego spodziewać. Odkąd uważano, że ogólna teoria względności Alberta Einsteina przewidywała czarne dziury, łącząc czasoprzestrzeń z działaniem grawitacji, wiadomo, że czarne dziury powstają w wyniku śmierci masywnej gwiazdy pozostawiając mały, gęsty rdzeń resztkowy. Zakładając, że rdzeń ma ponad trzykrotnie masę Słońca, grawitacja przytłoczy się do takiego stopnia, że zapadnie się w jednym punkcie lub osobliwości, rozumianej jako nieskończenie gęsty rdzeń czarnej dziury.
Powstała niezdolna do zamieszkania czarna dziura miałaby tak silne przyciąganie grawitacyjne, że nawet światło nie mogłoby tego uniknąć. Jeśli zatem znajdziesz się na horyzoncie zdarzeń - punkcie, w którym światło i materia mogą przenikać tylko do wewnątrz, jak zaproponował niemiecki astronom Karl Schwarzschild - nie ma ucieczki. Według Masseya siły pływowe zredukowałyby twoje ciało do pasm atomów (lub „spaghettification”, jak to jest również znane), a obiekt ostatecznie zostałby zmiażdżony na osobliwości. Pomysł, że możesz wyskoczyć gdzieś - być może po drugiej stronie - wydaje się całkowicie fantastyczny.
Co z tunelem czasoprzestrzennym?
Albo to jest? Przez lata naukowcy badali możliwość, że czarne dziury mogą być tunelami czasoprzestrzennymi innych galaktyk. Mogą nawet być, jak niektórzy sugerują, ścieżką do innego wszechświata.
Taki pomysł krąży już od jakiegoś czasu: Einstein połączył siły z Nathanem Rosenem w celu opracowania teorii mostów łączących dwa różne punkty w czasoprzestrzeni w 1935 roku. Ale zyskał trochę świeżości w latach 80., kiedy fizyk Kip Thorne - jeden ze światów czołowi eksperci od astrofizycznych implikacji ogólnej teorii względności Einsteina - podnieśli dyskusję na temat tego, czy przedmioty mogą fizycznie przez nie podróżować.
„Czytanie popularnej książki Kipa Thorne'a o tunelach czasoprzestrzennych sprawiło, że jako dziecko podnieciłem się fizyką” - powiedział Massey. Ale wydaje się mało prawdopodobne, że istnieją tunele czasoprzestrzenne.
Rzeczywiście, Thorne, który doradził zespołowi produkcyjnemu dla hollywoodzkiego filmu Interstellar, napisał: „W naszym wszechświecie nie widzimy obiektów, które mogłyby się starzeć tunelami czasoprzestrzennymi w miarę starzenia się” w swojej książce „The Science of Interstellar” (WW Norton i Company, 2014). Thorne powiedział Space.com, że podróże przez te teoretyczne tunele najprawdopodobniej pozostałyby science fiction, a na pewno nie ma mocnych dowodów na to, że czarna dziura mogłaby pozwolić na takie przejście.
Problem polega jednak na tym, że nie możemy zbliżyć się na własne oczy. Nie możemy nawet robić zdjęć czegokolwiek, co dzieje się w czarnej dziurze - jeśli światło nie może uciec od ich ogromnej grawitacji, aparat nie może zrobić nic. Na obecnym etapie teoria sugeruje, że wszystko, co wykracza poza horyzont zdarzeń, jest po prostu dodawane do czarnej dziury, a ponadto, ponieważ czas zniekształca się w pobliżu tej granicy, wydaje się, że dzieje się to niezwykle wolno, więc odpowiedzi nie będą szybkie nadchodzący.
„Myślę, że standardowa historia mówi, że prowadzą one do końca czasów” - powiedział Douglas Finkbeiner, profesor astronomii i fizyki na Uniwersytecie Harvarda. „Obserwator z daleka nie zobaczy, jak ich przyjaciel astronauta wpada do czarnej dziury. Po prostu zaczną czerwienieć i słabieją, gdy zbliżą się do horyzontu wydarzeń. Ale przyjaciel wpada prosto w miejsce poza„ na zawsze ”. Cokolwiek to znaczy."
Może czarna dziura prowadzi do białej dziury
Oczywiście, jeśli czarne dziury prowadzą do innej części galaktyki lub innego wszechświata, po drugiej stronie musiałoby być coś przeciwnego do nich. Czy może to być biała dziura - teoria wysunięta przez rosyjskiego kosmologa Igora Nowikowa w 1964 roku? Novikov zaproponował, aby czarna dziura łączyła się z białą dziurą, która istnieje w przeszłości. W przeciwieństwie do czarnej dziury, biała dziura pozwoli światłu i materii opuścić, ale światło i materia nie będą mogły wejść.
Naukowcy kontynuowali badanie potencjalnego związku między czarnymi i białymi dziurami. W badaniu z 2014 r. Opublikowanym w czasopiśmie Physical Review D, fizycy Carlo Rovelli i Hal M. Haggard twierdzili, że „istnieje klasyczny miernik spełniający równania Einsteina poza skończonym obszarem czasoprzestrzennym, w którym materia zapada się w czarną dziurę, a następnie wyłania się z niej chwilowa dziura. ” Innymi słowy, wszystkie materialne czarne dziury, które połknęły, mogą zostać wyrzucone, a czarne dziury mogą stać się białymi dziurami po ich śmierci.
Daleko od niszczenia informacji, które absorbuje, upadek czarnej dziury zostałby zatrzymany. Zamiast tego doświadczyłby odbicia kwantowego, umożliwiając ucieczkę informacji. W takim przypadku rzuciłoby nieco światła na propozycję byłego kosmologa z Uniwersytetu Cambridge i fizyka teoretycznego Stephena Hawkinga, który w latach 70. zbadał możliwość, że czarne dziury emitują cząsteczki i promieniowanie - ciepło termiczne - w wyniku fluktuacji kwantowych .
„Hawking powiedział, że czarna dziura nie trwa wiecznie” - powiedział Finkbeiner. Hawking obliczył, że promieniowanie spowoduje, że czarna dziura straci energię, zmniejszy się i zniknie, jak opisano w jego artykule z 1976 r. Opublikowanym w Physical Review D. Biorąc pod uwagę jego twierdzenia, że emitowane promieniowanie będzie losowe i nie będzie zawierało żadnych informacji o tym, co spadło, czarna dziura po wybuchu wymazałaby mnóstwo informacji.
Oznaczało to, że pomysł Hawkinga był sprzeczny z teorią kwantową, która mówi, że informacji nie można zniszczyć. Stan fizyki staje się trudniejszy do znalezienia, ponieważ w przypadku jego zagubienia niemożliwe staje się poznanie przeszłości lub przyszłości. Pomysł Hawkinga doprowadził do „paradoksu informacyjnego czarnej dziury” i od dawna intryguje naukowców. Niektórzy twierdzą, że Hawking się po prostu mylił, a sam człowiek nawet oświadczył, że popełnił błąd podczas konferencji naukowej w Dublinie w 2004 roku.
Czy wrócimy więc do koncepcji czarnych dziur emitujących zachowane informacje i wyrzucających je z powrotem przez białą dziurę? Może. W swoich badaniach z 2013 r. Opublikowanych w Physical Review Letters Jorge Pullin z Louisiana State University i Rodolfo Gambini z University of Republic w Montevideo w Urugwaju zastosowali pętlową grawitację kwantową do czarnej dziury i stwierdzili, że grawitacja wzrosła w kierunku rdzenia, ale zmniejszyła się i spadła. cokolwiek wchodziło w inny region wszechświata. Wyniki nadały dodatkowej wiarygodności idei czarnych dziur pełniących rolę portalu. W tym badaniu osobliwość nie istnieje, dlatego nie tworzy nieprzeniknionej bariery, która ostatecznie zmiażdży wszystko, co napotka. Oznacza to również, że informacje nie znikają.
Może czarne dziury nigdzie nie idą
Jednak fizycy Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully nadal wierzyli, że Hawking mógł mieć coś wspólnego. Pracowali nad teorią znaną jako zapora ogniowa AMPS lub hipoteza zapory czarnej dziury. Według ich obliczeń mechanika kwantowa mogłaby w realny sposób zmienić horyzont zdarzeń w gigantyczną ścianę ognia, a wszystko, co się z nim zetknie, natychmiast płonie. W tym sensie czarne dziury nigdzie nie prowadzą, ponieważ nic nigdy nie mogło się dostać do środka.
Jest to jednak sprzeczne z ogólną teorią względności Einsteina. Ktoś przekraczający horyzont zdarzeń nie powinien tak naprawdę odczuwać wielkich trudności, ponieważ obiekt znajdowałby się w swobodnym spadku i, zgodnie z zasadą równoważności, ten obiekt - lub osoba - nie odczułby ekstremalnych efektów grawitacji. Mógłby podążać za prawami fizyki obecnymi gdzie indziej we wszechświecie, ale nawet gdyby nie był sprzeczny z zasadą Einsteina, podważyłby kwantową teorię pola lub sugerowałby utratę informacji.
Czarna dziura niepewności
Krok naprzód Hawking jeszcze raz. W 2014 r. Opublikował badanie, w którym unika istnienia horyzontu zdarzeń - co oznacza, że nie ma już nic do spalenia - mówiąc, że załamanie grawitacyjne spowodowałoby zamiast tego „pozorny horyzont”.
Horyzont ten zawiesiłby promienie świetlne próbujące oddalić się od rdzenia czarnej dziury i trwałby przez „okres czasu”. W swoim przemyśleniu pozorne horyzonty tymczasowo zatrzymują materię i energię przed rozpuszczeniem i uwolnieniem ich później. To wyjaśnienie najlepiej pasuje do teorii kwantowej - która mówi, że informacji nie można zniszczyć - a jeśli kiedykolwiek zostanie udowodniona, sugeruje, że wszystko może uciec z czarnej dziury.
Hawking posunął się do stwierdzenia, że czarne dziury mogą nawet nie istnieć. „Czarne dziury należy przedefiniować jako stany metastabilne pola grawitacyjnego” - napisał. Nie byłoby osobliwości i chociaż pole pozorne poruszałoby się do wewnątrz z powodu grawitacji, nigdy nie osiągnęłoby centrum i nie skonsolidowałoby się w gęstej masie.
A jednak wszystko, co zostanie wyemitowane, nie będzie w postaci połkniętej informacji. Niemożliwe byłoby ustalenie, co się wydarzyło, patrząc na to, co wychodzi, co samo w sobie powoduje problemy - w szczególności dla człowieka, który znalazł się w tak niepokojącej sytuacji. Nigdy więcej nie poczują tego samego!
Jedno jest pewne, ta tajemnica pochłonie jeszcze wiele godzin naukowych przez długi czas. Rovelli i Francesca Vidotto niedawno zasugerowali, że składnik ciemnej materii może zostać utworzony przez resztki wyparowanych czarnych dziur, a papier Hawkinga na temat czarnych dziur i „miękkich włosów” został wydany w 2018 r. I opisuje, w jaki sposób cząstki o zerowej energii pozostają wokół punktu bez powrotu, horyzont zdarzeń - pomysł, który sugeruje, że informacja nie jest stracona, ale uchwycona.
Stało się to w obliczu twierdzenia o braku włosów, wyrażonego przez fizyka Johna Archibalda Wheelera i działało na podstawie tego, że dwie czarne dziury byłyby nie do odróżnienia dla obserwatora, ponieważ żaden z pseudoładowań fizyki cząstek specjalnych nie zostałby zachowany. Jest to pomysł, który skłania naukowców do dyskusji, ale jest jeszcze jedna droga, zanim będzie postrzegana jako odpowiedź na pytanie, dokąd prowadzą czarne dziury. Gdybyśmy tylko mogli znaleźć sposób, by w to wskoczyć.
