Θεωρίες φυσικής

Γιατί οι εσωτερικοί χώροι μιας μαύρης τρύπας μεγαλώνουν (σχεδόν) για πάντα

Written by Δ.Μ.

Ο Leonard Susskind, πρωτοπόρος της θεωρίας των χορδών , της ολογραφικής αρχής και άλλων μεγάλων ιδεών της φυσικής που καλύπτουν τον τελευταίο μισό αιώνα, πρότεινε μια λύση σε ένα σημαντικό αίνιγμα για τις μαύρες τρύπες . Το πρόβλημα είναι ότι παρόλο που αυτές οι μυστηριώδεις, αόρατες μαύρες οπές φαίνονται απέξω να παραμένουν σταθερές, οι εσωτερικοί χώροι τους συνεχίζουν να αυξάνονται ουσιαστικά για πάντα. Πώς είναι αυτό δυνατόν;

Share

Ο Leonard Susskind, πρωτοπόρος της θεωρίας των χορδών , της ολογραφικής αρχής και άλλων μεγάλων ιδεών της φυσικής που καλύπτουν τον τελευταίο μισό αιώνα, πρότεινε μια λύση  σε ένα σημαντικό αίνιγμα για τις μαύρες τρύπες . Το πρόβλημα είναι ότι παρόλο που αυτές οι μυστηριώδεις, αόρατες μαύρες οπές φαίνονται απέξω να παραμένουν σταθερές, οι εσωτερικοί χώροι τους συνεχίζουν να αυξάνονται ουσιαστικά για πάντα. Πώς είναι αυτό δυνατόν;

BH_1300lede

Σε μια σειρά από πρόσφατες εργασίες και συνομιλίες, ο 78χρονος καθηγητής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ και οι συνεργάτες του εικάζουν ότι οι μαύρες τρύπες αυξάνονται σε όγκο, επειδή αυξάνεται συνεχώς η πολυπλοκότητα τους – μια ιδέα που, αν και μη αποδεδειγμένη, τροφοδοτεί νέες σκέψεις για την κβαντικό τη φύση της βαρύτητας μέσα στις μαύρες τρύπες.

Leonard SusskindΟ διάσημος φυσικός Leonard Susskind έχει εντοπίσει μια πιθανή κβαντική προέλευση για τον συνεχώς αυξανόμενο όγκο των μαύρων οπών

Οι μαύρες τρύπες είναι σφαιρικές περιοχές τέτοιας ακραίας βαρύτητας που κανένα φως δεν μπορεί να διαφύγει.  Ανακαλύφθηκαν αρχικά πριν από έναν αιώνα ως συγκλονιστικές – συνταρακτικές λύσεις στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Albert Einstein, και από τότε έχουν ανιχνευθεί σε ολόκληρο το σύμπαν. Συνήθως σχηματίζονται από την εσωτερική βαρυτική κατάρρευση των νεκρών αστεριών. Η θεωρία του Αϊνστάιν εξισώνει την δύναμη της βαρύτητας με τις καμπύλες του χωροχρόνου, τον τετραδιάστατο ιστό του σύμπαντος, αλλά η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή στις μαύρες τρύπες που ο ιστός του χωροχρόνου κυρτώνει πάρα πολύ προς το σημείο της θραύσης του – την απείρως πυκνή «ιδιαιτερότητα» στο κέντρο της μαύρης τρύπας.

Λεόναρντ Σάσκιντ: «Οσο περισσότερα ανακαλύπτουμε τόσο λιγότερα φαίνεται να γνωρίζουμε. Αυτή ακριβώς είναι η φυσική με δυο λόγια»

HawkingΗ κβαντομηχανική λέει ότι ο Κόσμος διατηρεί όλες τις πληροφορίες για το παρελθόν

Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η εσωτερική βαρυτική κατάρρευση δεν σταματά ποτέ. Παρόλο που, από έξω, η μαύρη τρύπα εμφανίζεται να παραμένει σταθερή και να επεκτείνεται ελαφρώς μόνο όταν πέφτει μέσα της νέο υλικό, ο εσωτερικός της όγκος αυξάνεται όλο και περισσότερο καθώς ο χώρος τεντώνεται προς το κεντρικό σημείο. Για μια απλοποιημένη εικόνα αυτής της αιώνιας ανάπτυξης, φανταστείτε μια μαύρη τρύπα ως χοάνη που εκτείνεται προς τα κάτω από ένα δισδιάστατο φύλλο που αντιπροσωπεύει τον ιστό του χωροχρόνου. Η χοάνη γίνεται συνεχώς βαθύτερη, έτσι ώστε το υλικό που πέφτει να μην φτάνει ποτέ στην μυστηριώδη ιδιαιτερότητα στο κάτω μέρος. Στην πραγματικότητα, μια μαύρη τρύπα είναι μια χοάνη που εκτείνεται προς τα μέσα και από τις τρεις χωρικές κατευθύνσεις. Ένα σφαιρικό όριο που την περιβάλλει ονομάζεται «ορίζοντας συμβάντων», που σημειώνει το σημείο μη επιστροφής.

Από, τουλάχιστον, τη δεκαετία του 1970 οι φυσικοί έχουν αναγνωρίσει ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να είναι πραγματικά κβαντικά συστήματα κάποιου είδους – όπως όλα τα άλλα στο σύμπαν. Αυτό που περιγράφει η θεωρία του Αϊνστάιν ως στρεβλωμένο χωροχρόνο στο εσωτερικό της μαύρης οπής, είναι κατά πάσα πιθανότητα μια συλλογική κατάσταση τεράστιου αριθμού σωματιδίων βαρύτητας, που ονομάζονται «βαρυτόνια», και που περιγράφονται από την πραγματική  κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Σε αυτή την περίπτωση, όλες οι γνωστές ιδιότητες μιας μαύρης τρύπας πρέπει να εντοπιστούν στις ιδιότητες αυτού του κβαντικού συστήματος.

Πράγματι, το 1972, ο ισραηλινός φυσικός Jacob Bekenstein  κατάλαβε  ότι η περιοχή του σφαιρικού ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας αντιστοιχεί στην «εντροπία» του. Αυτή είναι ο αριθμός των διαφορετικών πιθανών μικροσκοπικών διατάξεων όλων των σωματιδίων μέσα στη μαύρη τρύπα, ή , όπως το περιγράφουν οι σύγχρονοι θεωρητικοί, είναι η ικανότητα αποθήκευσης των πληροφοριών μιας μαύρης τρύπας.

Η διορατικότητα του Μπέκενσταϊν οδήγησε τον  Stephen Hawking  να  συνειδητοποιήσει  δύο χρόνια αργότερα ότι οι μαύρες τρύπες έχουν θερμοκρασίες και ότι επομένως ακτινοβολούν θερμότητα. Αυτή η ακτινοβολία αναγκάζει τις μαύρες τρύπες να εξατμίζονται αργά-αργά, προκαλώντας το πολύ συζητημένο «παράδοξο πληροφοριών της μαύρης τρύπας «, το οποίο αναρωτιέται τι συμβαίνει με τις πληροφορίες των σωμάτων που πέφτουν μέσα στις μαύρες τρύπες. Η κβαντομηχανική λέει ότι ο Κόσμος διατηρεί όλες τις πληροφορίες για το παρελθόν. Αλλά πώς οι πληροφορίες σχετικά με τα υλικά που πέφτουν, που φαίνεται να γλιστράνε πάντα προς την κεντρική ιδιομορφία (ή «βαρυτική ανωμαλία» ένα ελάχιστο σημείο άπειρης πυκνότητας – κάτι παράλογο για τους φυσικούς νόμους όπως τους ξέρουμε), επίσης, εξατμίζονται;

Η σχέση μεταξύ της επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας και του περιεχομένου της πληροφορίας έχει απασχολήσει τους ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας εδώ και δεκαετίες. Αλλά κάποιος μπορεί επίσης να ρωτήσει: Με τι αντιστοιχεί ο αυξανόμενος όγκος του εσωτερικού του, σε κβαντικούς όρους;

«Για οποιονδήποτε λόγο κανείς, συμπεριλαμβανομένου και εμού, για μερικά χρόνια δεν σκεφτόταν πάρα πολύ για το τι σημαίνει αυτό», δήλωσε ο Susskind. «Τι είναι αυτό που μεγαλώνει; Αυτό θα έπρεπε να ήταν ένα από τα κορυφαία αινίγματα της φυσικής μιας μαύρης τρύπας. »

Τα τελευταία χρόνια, με την άνοδο των κβαντικών υπολογιστών, οι φυσικοί έχουν αποκτήσει νέες ιδέες για τα φυσικά συστήματα, όπως οι μαύρες τρύπες, μελετώντας τις ικανότητες επεξεργασίας των πληροφοριών τους – σαν να ήταν κβαντικοί υπολογιστές. Αυτή η άποψη οδήγησε τον Susskind και τους συνεργάτες του να προσδιορίσουν έναν καλό λόγο για την εξελισσόμενη κβαντική ιδιότητα των μαύρων τρυπών, που υποκρύπτει ο συνεχώς αυξανόμενος όγκος τους. Αυτό που αλλάζει, λένε οι θεωρητικοί, είναι η «πολυπλοκότητα» της μαύρης τρύπας – περίπου ένα μέτρο του αριθμού των υπολογισμών που θα χρειαζόταν για να ανακτήσει την αρχική κβαντική κατάσταση της μια μαύρη τρύπα, τη στιγμή που σχηματίστηκε. Μετά το σχηματισμό της, καθώς τα σωματίδια μέσα στη μαύρη τρύπα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, οι πληροφορίες για την αρχική τους κατάσταση γίνονται ολοένα και πιο κωδικοποιημένες. Κατά συνέπεια, η πολυπλοκότητά τους αυξάνεται συνεχώς.

Χρησιμοποιώντας  μοντέλα παιχνιδιών που αναπαριστούν μαύρες τρύπες ως ολογράμματα, ο Susskind και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι η πολυπλοκότητα και ο όγκος των μαύρων τρυπών αυξάνονται με τον ίδιο ρυθμό, υποστηρίζοντας την ιδέα ότι το ένα θα μπορούσε να υπογραμμιστεί από το άλλο. Και ενώ ο Bekenstein υπολόγισε ότι οι μαύρες τρύπες αποθηκεύουν τη μέγιστη δυνατή ποσότητα πληροφοριών ανάλογα της επιφάνειας τους, τα ευρήματα του Susskind υποδηλώνουν ότι αναπτύσσονται, επίσης, με πολύπλοκο τρόπο με τον ταχύτερο δυνατό ρυθμό που επιτρέπουν οι φυσικοί νόμοι.

Ο John Preskill , ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, ο οποίος επίσης μελετά τις μαύρες τρύπες χρησιμοποιώντας τη θεωρία των κβαντικών πληροφοριών, βρίσκει την ιδέα του Susskind πολύ ενδιαφέρουσα. «Είναι πολύ ωραίο ότι αυτή η έννοια της υπολογιστικής πολυπλοκότητας, η οποία είναι κάτι που μπορεί να σκεφτεί ένας επιστήμονας υπολογιστών και δεν είναι μέρος του τρόπου που σκέφτονται οι συνήθεις φυσικοί», δήλωσε ο Preskill, “θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε κάτι που είναι φυσικό να σκεφτεί κάποιος που γνωρίζει γενική σχετικότητα», δηλαδή την ανάπτυξη των εσωτερικών χώρων μιας μαύρης τρύπας.

Οι ερευνητές παραμένουν αινιγματικοί σχετικά με τις συνέπειες της διατριβής του Susskind. Ο Aron Wall , ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, δήλωσε: «Η πρόταση, αν και συναρπαστική, είναι ακόμα μάλλον θεωρητική και μπορεί να μην είναι σωστή.» Μια πρόκληση είναι ο καθορισμός της πολυπλοκότητας στο πλαίσιο των μαύρων τρυπών, λέει, προκειμένου να διευκρινιστεί πώς η πολυπλοκότητα των κβαντικών αλληλεπιδράσεων μπορεί να οδηγήσει σε χωρικό όγκο”.

Ένα πιθανό μάθημα, σύμφωνα με τον  Douglas Stanford , ειδικός στις μαύρες οπές στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, «είναι ότι οι μαύρες τρύπες έχουν ένα είδος εσωτερικού ρολογιού που κρατάει τον χρόνο για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Για ένα συνηθισμένο κβαντικό σύστημα,»είπε,» αυτή είναι η πολυπλοκότητα της κατάστασης. Για μια μαύρη τρύπα, είναι το μέγεθος της περιοχής πίσω από τον ορίζοντα. »

Εάν η πολυπλοκότητα υποκρύπτει τον χωρικό όγκο στις μαύρες τρύπες, ο Susskind οραματίζεται τις συνέπειες που κρύβει για την κατανόηση της κοσμολογίας γενικότερα. «Δεν είναι μόνο το εσωτερικό της μαύρης τρύπας που μεγαλώνουν με το χρόνο. Ο χώρος της κοσμολογίας μεγαλώνει με το χρόνο «, είπε. «Νομίζω ότι είναι ένα πολύ, πολύ ενδιαφέρον ερώτημα εάν η κοσμολογική ανάπτυξη του χώρου συνδέεται με την ανάπτυξη κάποιου είδους πολυπλοκότητας. Και αν το κοσμικό ρολόι, η εξέλιξη του σύμπαντος, συνδέεται με την εξέλιξη της πολυπλοκότητας. Εκεί, δεν ξέρω την απάντηση. »

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share