Ίσως η πιο εκπληκτική επιστημονική ανακάλυψη της τελευταίας δεκαετίας είναι ότι το σύμπαν βρίθει από μαύρες τρύπες.
Αυτές οι τρύπες έχουν παρατηρηθεί σε διαφορετικά και εκπληκτικά μεγέθη: μερικές με μάζα ελαφρώς μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου και άλλες με μάζα δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Έχουν επίσης παρατηρηθεί με διάφορους τρόπους: μέσω ραδιοεκπομπών από το υλικό που πέφτει προς την τρύπα. Και μέσω της επιρροής του στα αστέρια που περιστρέφονται γύρω του. Μέσω των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπονται κατά τη συγχώνευσή τους. Και μέσω της εξαιρετικά περίεργης παραμόρφωσης του φωτός που προκαλεί (θυμηθείτε το δαχτυλίδι του Αϊνστάιν, που εμφανίστηκε σε εικόνες του Τοξότη Α*, της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία, που κόσμησε τα πρωτοσέλιδα των διεθνών εφημερίδων πριν από λίγο καιρό).
Ο χώρος που ζούμε δεν είναι ομαλός, αλλά μάλλον γεμάτος τρύπες στον ουρανό, σαν σουρωτήρι. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν προέβλεψε και περιέγραψε καλά τις φυσικές ιδιότητες όλων των μαύρων τρυπών.
Όλα όσα γνωρίζουμε για αυτά τα παράξενα αντικείμενα είναι απολύτως συνεπή με τη μέχρι τώρα θεωρία του Αϊνστάιν. Υπάρχουν όμως δύο βασικά ερωτήματα στα οποία η θεωρία του Αϊνστάιν δεν απαντά.
Το πρώτο ερώτημα είναι: Πού πηγαίνει η ύλη όταν εισέρχεται σε μια μαύρη τρύπα; Το δεύτερο ερώτημα είναι: Πώς τελειώνουν οι μαύρες τρύπες; Συναρπαστικά θεωρητικά επιχειρήματα, που κατανοήθηκαν για πρώτη φορά από τον Στίβεν Χόκινγκ πριν από αρκετές δεκαετίες, υποδηλώνουν ότι στο μακρινό μέλλον, μετά από μια ζωή που εξαρτάται από το μέγεθός της, μια μαύρη τρύπα θα συστέλλεται (ή, όπως λένε οι φυσικοί, «εξατμίζεται»), εκπέμποντας θερμή ακτινοβολία τώρα γνωστή ως ακτινοβολία.
Αυτό κάνει την τρύπα να γίνεται όλο και μικρότερη, μέχρι να γίνει πολύ μικρή. Τι γίνεται όμως μετά από αυτό; Ο λόγος που αυτά τα δύο ερωτήματα δεν έχουν απαντηθεί ακόμη, και η θεωρία του Αϊνστάιν δεν δίνει απάντηση, είναι ότι και οι δύο περιλαμβάνουν κβαντικές πτυχές του χωροχρόνου.
Αυτό σημαίνει ότι και τα δύο περιλαμβάνουν κβαντική βαρύτητα, αλλά δεν έχουμε ακόμη μια σταθερή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
Προσπάθησε να απαντήσεις
Αλλά υπάρχει ελπίδα, γιατί έχουμε δοκιμαστικές θεωρίες. Αυτές οι θεωρίες δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί, γιατί δεν έχουν υποστηριχθεί ακόμα από πειράματα ή παρατηρήσεις.
Αλλά είναι αρκετά προχωρημένοι ώστε να μας δώσουν πρόχειρες απαντήσεις σε αυτά τα δύο σημαντικά ερωτήματα. Μπορούμε επομένως να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις θεωρίες για να κάνουμε μια μορφωμένη εικασία για το τι συμβαίνει.
Μη καθορισμένο
Ίσως η πιο λεπτομερής και προηγμένη θεωρία του κβαντικού χωροχρόνου είναι η κβαντική βαρύτητα βρόχου ή LQG – μια πειραματική θεωρία κβαντικής βαρύτητας που αναπτύσσεται σταθερά από τα τέλη της δεκαετίας του 1980.
Χάρη σε αυτή τη θεωρία, εμφανίστηκε μια ενδιαφέρουσα απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα. Αυτή η απάντηση αποδεικνύεται στο ακόλουθο σενάριο. Το εσωτερικό της μαύρης τρύπας εξελίσσεται μέχρι να φτάσει σε ένα στάδιο όπου αρχίζουν να κυριαρχούν τα κβαντικά φαινόμενα.
Αυτό δημιουργεί μια ισχυρή απωστική δύναμη που αντανακλά τη δυναμική του εσωτερικού της μαύρης τρύπας που καταρρέει, προκαλώντας την «αναπήδηση». Μετά από αυτή την κβαντική φάση, που περιγράφεται από τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, ο χωροχρόνος μέσα στην τρύπα υπακούει και πάλι στη θεωρία του Αϊνστάιν, με τη διαφορά ότι η μαύρη τρύπα τώρα διαστέλλεται αντί να συστέλλεται.
Η πιθανότητα επέκτασης της μαύρης τρύπας είχε προβλεφθεί στην πραγματικότητα από τη θεωρία του Αϊνστάιν, με τον ίδιο τρόπο που προβλέφθηκε από τις μαύρες τρύπες. Αυτή είναι μια πιθανότητα που είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες. Αυτή η αντίστοιχη περιοχή του χωροχρόνου έχει ακόμη και όνομα: «λευκή τρύπα».
Διαβάστε περισσότερα:
Ίδια ιδέα αλλά αντίστροφα
Το όνομα αντανακλά την ιδέα ότι μια λευκή τρύπα είναι, κατά μία έννοια, το αντίθετο μιας μαύρης τρύπας. Μπορούμε να το σκεφτούμε με τον ίδιο τρόπο που μια μπάλα που αναπηδά προς τα πάνω ακολουθεί μια ανοδική πορεία που είναι αντίθετη από την καθοδική διαδρομή που πήρε όταν έπεσε αυτή η μπάλα.
Μια λευκή τρύπα είναι μια χωροχρονική δομή παρόμοια με μια μαύρη τρύπα αλλά με το χρόνο να αντιστρέφεται. Μέσα σε μια μαύρη τρύπα, τα πράγματα πέφτουν. Αλλά μέσα στη λευκή τρύπα, τα πράγματα κινούνται προς τα έξω. Τίποτα δεν μπορεί να βγει από μια μαύρη τρύπα. Ομοίως, τίποτα δεν μπορεί να εισέλθει σε μια λευκή τρύπα.
Κοιτάζοντας το από έξω, αυτό που συμβαίνει είναι ότι στο τέλος της διαδικασίας εξάτμισης, η μαύρη τρύπα, η οποία είναι τώρα μικρή επειδή έχει εξατμιστεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας της, μετατρέπεται σε μια μικρή λευκή τρύπα. Η LQG επισημαίνει ότι τέτοιες δομές γίνονται σχεδόν σταθερές από κβαντικά φαινόμενα και ως εκ τούτου μπορούν να επιβιώσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Οι λευκές τρύπες ονομάζονται μερικές φορές «απομεινάρια» επειδή είναι αυτό που παραμένει μετά την εξάτμιση μιας μαύρης τρύπας. Η μετάβαση από μια μαύρη τρύπα σε μια λευκή τρύπα μπορεί να θεωρηθεί «κβαντικό άλμα». Αυτό είναι παρόμοιο με την έννοια του Δανού φυσικού Niels Bohr για τα κβαντικά άλματα, όπου τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν από το ένα ατομικό τροχιακό στο άλλο όταν αλλάζουν την ενέργειά τους.
Τα κβαντικά άλματα προκαλούν τα άτομα να εκπέμπουν φωτόνια, τα οποία προκαλούν την εκπομπή του φωτός που μας επιτρέπει να βλέπουμε τα πράγματα. Αλλά η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας προβλέπει το μέγεθος αυτών των μικροσκοπικών υπολειμμάτων. Εξ ου και ένα χαρακτηριστικό αποτέλεσμα της φυσικής: κβαντισμός γεωμετρίας. Συγκεκριμένα, η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας προβλέπει ότι η περιοχή οποιασδήποτε επιφάνειας μπορεί να έχει μόνο ορισμένες διακριτές τιμές.
Η περιοχή του ορίζοντα του υπολείμματος της λευκής τρύπας πρέπει να καθορίζεται από τη μικρότερη τιμή που δεν εξαφανίζεται. Αυτό αντιστοιχεί σε μια λευκή τρύπα με μάζα κλάσματος μικρογραμμαρίου: περίπου το βάρος μιας ανθρώπινης τρίχας.
Αυτό το σενάριο απαντά στα δύο ερωτήματα που τέθηκαν προηγουμένως. Αυτό που συμβαίνει στο τέλος της διαδικασίας εξάτμισης είναι ότι η κβαντική μαύρη τρύπα μεταπηδά σε μια μικρή λευκή τρύπα με μεγάλη διάρκεια ζωής. Η ύλη που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα μπορεί αργότερα να αναδυθεί από αυτή τη λευκή τρύπα.
Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της ύλης θα έχει ήδη απελευθερωθεί από την ακτινοβολία Hawking – ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας που εκπέμπεται από τη μαύρη τρύπα λόγω των κβαντικών επιδράσεων που την προκαλούν την εξάτμισή της. Αυτό που βγαίνει από τη λευκή τρύπα δεν είναι η ενέργεια της ύλης που έπεσε σε αυτήν, αλλά μάλλον η εναπομένουσα ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας, η οποία ωστόσο μεταφέρει όλες τις υπόλοιπες πληροφορίες σχετικά με την ύλη που έπεσε σε αυτήν.
Μια ενδιαφέρουσα πιθανότητα που ανοίγει αυτό το σενάριο είναι ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη που βλέπουν οι αστρονόμοι ίχνη στον ουρανό μπορεί στην πραγματικότητα να έχει σχηματιστεί, εν όλω ή εν μέρει, από μικροσκοπικές λευκές τρύπες που δημιουργούνται από αρχαίες μαύρες τρύπες που εξατμίζονται. Αυτές οι τρύπες μπορεί να προέκυψαν στα πρώτα στάδια του σύμπαντος, ίσως πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, την οποία φαίνεται να προβλέπει και η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
Αυτή είναι μια ελκυστική πιθανή λύση στο μυστήριο της φύσης της σκοτεινής ύλης, επειδή παρέχει μια κατανόηση της σκοτεινής ύλης που βασίζεται αποκλειστικά στη γενική σχετικότητα και την κβαντική μηχανική, δύο καλά εδραιωμένες πτυχές της φύσης. Επίσης, δεν προσθέτει τυχαία σωματίδια πεδίου ή νέες δυναμικές εξισώσεις, όπως κάνουν οι περισσότερες εναλλακτικές πειραματικές υποθέσεις για τη σκοτεινή ύλη.
Επόμενα βήματα
Μπορούμε λοιπόν να ανιχνεύσουμε λευκές τρύπες; Η άμεση παρατήρηση των λευκών τρυπών θα είναι δύσκολη επειδή αυτά τα μικρά αντικείμενα αλληλεπιδρούν με το διάστημα και την ύλη που τα περιβάλλει σχεδόν μοναδικά μέσω της βαρύτητας, η οποία είναι εξαιρετικά αδύναμη.
Δεν είναι εύκολο να εντοπιστεί μια τρίχα χρησιμοποιώντας μόνο τη βαρύτητα της. Ίσως όμως να μην είναι πλέον αδύνατο καθώς η τεχνολογία προχωρά. Έχουν ήδη προταθεί ιδέες για το πώς να γίνει αυτό χρησιμοποιώντας ανιχνευτές που βασίζονται στην κβαντική τεχνολογία.
Εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από υπολείμματα λευκής τρύπας, μια απλή εκτίμηση δείχνει ότι μερικά τέτοια αντικείμενα μπορεί να πετούν μέσα από μια περιοχή μεγέθους ενός μεγάλου δωματίου κάθε μέρα. Προς το παρόν, πρέπει να μελετήσουμε αυτό το σενάριο και πώς ταιριάζει με όσα γνωρίζουμε για το σύμπαν, ενώ περιμένουμε την τεχνολογία να μας βοηθήσει να εντοπίσουμε αυτά τα αντικείμενα άμεσα.
Αλλά παραδόξως, αυτό το σενάριο δεν έχει ληφθεί υπόψη στο παρελθόν. Ο λόγος μπορεί να αναχθεί σε μια υπόθεση που ασπάζονται πολλοί θεωρητικοί με υπόβαθρο στη θεωρία χορδών: μια ισχυρή εκδοχή της λεγόμενης «ολογραφικής» υπόθεσης.
Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, οι πληροφορίες μέσα σε μια μικρή μαύρη τρύπα είναι αναγκαστικά μικρές, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την παραπάνω ιδέα. Η υπόθεση βασίζεται στην ιδέα των αιώνιων μαύρων οπών: τεχνικά, η ιδέα ότι ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας είναι αναγκαστικά ένας ορίζοντας “γεγονότος” (ο ορίζοντας “γεγονότος” είναι εξ ορισμού ένας αιώνιος ορίζοντας). Εάν ο ορίζοντας είναι αιώνιος, τότε αυτό που συμβαίνει μέσα χάνεται ουσιαστικά για πάντα, και μια μαύρη τρύπα είναι μοναδικά διακριτή από ό,τι μπορεί να φανεί από έξω.
Όμως τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα διαταράσσουν τον ορίζοντα όταν γίνεται μικρός, εμποδίζοντάς τον να είναι αιώνιος. Επομένως, ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας δεν μπορεί να είναι ορίζοντας «γεγονότων». Οι πληροφορίες που περιέχει μπορεί να είναι μεγάλες, ακόμη και όταν ο ορίζοντας είναι μικρός, και μπορούν να ανακτηθούν μετά το στάδιο της μαύρης τρύπας, κατά το στάδιο της λευκής τρύπας.
Περιέργως, όταν οι μαύρες τρύπες μελετήθηκαν θεωρητικά και οι κβαντικές τους ιδιότητες αγνοήθηκαν, ο αιώνιος ορίζοντας θεωρήθηκε ως καθοριστική ιδιότητά τους. Τώρα που κατανοούμε τις μαύρες τρύπες ως πραγματικά αντικείμενα στον ουρανό και ερευνούμε τις κβαντικές ιδιότητές τους, συνειδητοποιούμε ότι η ιδέα ότι οι ορίζοντές τους πρέπει να είναι αιώνιοι ήταν απλώς ένα ιδανικό.
Η πραγματικότητα είναι πιο λεπτή. Ίσως τίποτα δεν είναι αιώνιο, ούτε καν ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας.
Διαβάστε περισσότερα: