Acesta este ceea ce ar putea (probabil) să existe de cealaltă parte a găurii negre

Poate cea mai surprinzătoare descoperire științifică din ultimul deceniu este că universul plin de găuri negre.

Aceste găuri au fost observate în dimensiuni diferite și surprinzătoare: unele cu o masă puțin mai mare decât masa Soarelui, iar altele cu o masă de miliarde de ori mai mare. Ele au fost, de asemenea, observate în diferite moduri: prin emisii radio de la materialul care cade spre gaură; Și prin influența sa asupra stelelor care se învârt în jurul ei; Prin undele gravitaționale emise în timpul fuziunii lor; Și prin distorsiunea extrem de ciudată a luminii pe care o provoacă (amintiți-vă de inelul Einstein, care a apărut în imaginile cu Săgetător A*, gaura neagră supermasivă din centrul Căii Lactee, care a înfrumusețat primele pagini ale ziarelor internaționale nu cu mult timp în urmă).

Spațiul în care trăim nu este neted, ci mai degrabă plin de găuri în cer, ca o strecurătoare. Teoria relativității generale a lui Einstein a prezis și descris bine proprietățile fizice ale tuturor găurilor negre.

Tot ceea ce știm despre aceste obiecte ciudate este complet în concordanță cu teoria lui Einstein de până acum. Dar există două întrebări principale la care teoria lui Einstein nu răspunde.

Prima întrebare este: unde se duce materia când intră într-o gaură neagră? A doua întrebare este: Cum se termină găurile negre? Argumente teoretice convingătoare, înțelese pentru prima dată de Stephen Hawking cu câteva decenii în urmă, sugerează că, în viitorul îndepărtat, după o viață care depinde de dimensiunea ei, o gaură neagră se va contracta (sau, după cum spun fizicienii, „se va evapora”), prin emiterea de radiații fierbinți. acum cunoscut sub numele de radiație.

Acest lucru face ca gaura să devină din ce în ce mai mică, până când devine foarte mică. Dar ce se întâmplă după aceea? Motivul pentru care aceste două întrebări nu au primit încă răspuns, iar teoria lui Einstein nu oferă un răspuns, este că ambele implică aspecte cuantice ale spațiu-timpului.

Aceasta înseamnă că ambele implică gravitația cuantică, dar nu avem încă o teorie solidă a gravitației cuantice.

Încearcă să răspunzi

Dar există speranță, pentru că avem teorii tentative. Aceste teorii nu au fost încă dovedite, deoarece nu au fost susținute încă de experimente sau observații.

Dar ele sunt suficient de avansate pentru a ne oferi răspunsuri provizorii la aceste două întrebări importante. Prin urmare, putem folosi aceste teorii pentru a face o presupunere educată despre ceea ce se întâmplă.

Nedefinit

Poate cea mai detaliată și avansată teorie a spațiu-timpului cuantic este gravitația cuantică în buclă sau LQG – o teorie experimentală a gravitației cuantice care s-a dezvoltat constant de la sfârșitul anilor 1980.

Datorită acestei teorii, a apărut un răspuns interesant la aceste întrebări. Acest răspuns este demonstrat în scenariul următor. Interiorul găurii negre evoluează până când ajunge într-un stadiu în care efectele cuantice încep să domine.

Acest lucru creează o forță puternică de respingere care reflectă dinamica interiorului găurii negre care se prăbușește, determinând-o să „sare”. După această fază cuantică, descrisă de teoria gravitației cuantice, spațiul-timp din interiorul găurii se supune din nou teoriei lui Einstein, cu excepția faptului că gaura neagră se extinde acum în loc să se contracte.

Posibilitatea expansiunii găurii negre a fost de fapt prezisă de teoria lui Einstein, în același mod în care a fost prezisă de găurile negre. Aceasta este o posibilitate care este cunoscută de zeci de ani; Această regiune corespunzătoare a spațiu-timpului are chiar și un nume: „gaura albă”.

Citeşte mai mult:

Aceeași idee, dar invers

Numele reflectă ideea că o gaură albă este, într-un sens, opusul unei găuri negre. Ne putem gândi la asta în același mod în care o minge care sare în sus urmează o cale ascendentă care este opusă căii de jos pe care a luat-o când a căzut acea bila.

O gaură albă este o structură spațiu-timp similară cu o gaură neagră, dar cu timpul inversat. În interiorul unei găuri negre, lucrurile cad; Dar în interiorul găurii albe lucrurile se deplasează spre exterior. Nimic nu poate ieși dintr-o gaură neagră; La fel, nimic nu poate intra într-o gaură albă.

Privind-o din exterior, ceea ce se întâmplă este că la sfârșitul procesului de evaporare, gaura neagră, care acum este mică pentru că și-a evaporat cea mai mare parte a masei sale, se transformă într-o mică gaură albă. LQG subliniază că astfel de structuri devin aproape stabile prin efecte cuantice și, prin urmare, pot supraviețui mult timp.

Găurile albe sunt uneori numite „rămășițe” deoarece sunt ceea ce rămâne după evaporarea unei găuri negre. Tranziția de la o gaură neagră la o gaură albă poate fi considerată un „salt cuantic”. Acest lucru este similar cu conceptul de salturi cuantice al fizicianului danez Niels Bohr, în care electronii sar de la un orbital atomic la altul atunci când își schimbă energia.

Salturile cuantice determină atomii să emită fotoni, care sunt cele care provoacă emisia de lumină care ne permite să vedem lucrurile. Dar teoria gravitației cuantice prezice dimensiunea acestor mici rămășițe. Prin urmare, un rezultat distinctiv al fizicii: cuantizarea geometriei. În special, teoria gravitației cuantice prezice că aria oricărei suprafețe poate avea doar anumite valori discrete.

Aria orizontului rămășiței găurii albe trebuie determinată de cea mai mică valoare care nu dispare. Aceasta corespunde unei găuri albe cu o masă de o fracțiune de microgram: aproximativ greutatea unui păr uman.

Acest scenariu răspunde la cele două întrebări puse mai devreme. Ceea ce se întâmplă la sfârșitul procesului de evaporare este că gaura neagră cuantică sare într-o gaură albă mică, cu viață lungă. Materia care cade într-o gaură neagră poate ieși mai târziu din această gaură albă.

Cea mai mare parte a energiei materiei va fi deja eliberată de radiația Hawking – radiație de energie scăzută emisă de gaura neagră din cauza efectelor cuantice care o fac să se evapore. Ceea ce iese din gaura albă nu este energia materiei care a căzut în ea, ci mai degrabă radiația de energie scăzută rămasă, care poartă totuși toate informațiile rămase despre materia care a căzut în ea.

O posibilitate intrigantă pe care o deschide acest scenariu este că materia întunecată misterioasă pe care astronomii o văd urme pe cer s-ar fi putut forma, în totalitate sau parțial, din mici găuri albe generate de găurile negre străvechi, în evaporare. Este posibil ca aceste găuri să fi apărut în stadiile incipiente ale universului, poate înainte de Big Bang, pe care și teoria gravitației cuantice pare să-l prezică.

Aceasta este o soluție potențială atractivă la misterul naturii materiei întunecate, deoarece oferă o înțelegere a materiei întunecate bazată exclusiv pe relativitatea generală și mecanica cuantică, două aspecte bine stabilite ale naturii. De asemenea, nu adaugă particule de câmp aleatoriu sau noi ecuații dinamice, așa cum fac majoritatea ipotezelor experimentale alternative despre materia întunecată.

Pasii urmatori

Deci, putem detecta găurile albe? Observarea directă a găurilor albe va fi dificilă, deoarece aceste obiecte mici interacționează cu spațiul și cu materia care le înconjoară aproape unic prin gravitație, care este extrem de slabă.

Nu este ușor să detectezi un fir de păr folosind doar gravitația lui. Dar poate că nu va mai fi imposibil pe măsură ce tehnologia avansează. Au fost deja propuse idei despre cum să faceți acest lucru folosind detectoare bazate pe tehnologia cuantică.

Dacă materia întunecată este formată din rămășițe de găuri albe, o estimare simplă arată că câteva astfel de obiecte ar putea zbura printr-o zonă de dimensiunea unei încăperi mari în fiecare zi. Deocamdată, trebuie să studiem acest scenariu și cum se potrivește cu ceea ce știm despre univers, în timp ce așteptăm ca tehnologia să ne ajute să detectăm direct aceste obiecte.

Dar, în mod surprinzător, acest scenariu nu a fost luat în considerare până acum. Motivul poate fi urmărit până la o ipoteză îmbrățișată de mulți teoreticieni cu experiență în teoria corzilor: o versiune puternică a așa-numitei ipoteze „holografice”.

Conform acestei ipoteze, informațiile din interiorul unei mici gauri negre sunt neapărat mici, ceea ce contrazice ideea de mai sus. Ipoteza se bazează pe ideea găurilor negre eterne: din punct de vedere tehnic, ideea că orizontul unei găuri negre este în mod necesar un orizont „eveniment” (un orizont „eveniment” este prin definiție un orizont etern). Dacă orizontul este etern, atunci ceea ce se întâmplă în interior este efectiv pierdut pentru totdeauna, iar o gaură neagră este unic distinctă de ceea ce poate fi văzut din exterior.

Dar fenomenele gravitaționale cuantice perturbă orizontul atunci când devine mic, împiedicându-l să fie etern. Prin urmare, orizontul găurii negre nu poate fi un orizont de „eveniment”. Informațiile pe care le conține pot fi mari, chiar și atunci când orizontul este mic și pot fi recuperate după etapa găurii negre, în etapa găurii albe.

În mod curios, atunci când găurile negre au fost studiate teoretic și proprietățile lor cuantice au fost ignorate, orizontul etern a fost văzut ca proprietatea lor definitorie. Acum că înțelegem găurile negre ca obiecte reale de pe cer și că le cercetăm proprietățile cuantice, ne dăm seama că ideea că orizonturile lor ar trebui să fie eterne a fost doar un ideal.

Realitatea este mai nuanțată. Poate că nimic nu este etern, nici măcar orizontul unei găuri negre.

Citeşte mai mult: