Οι φυσικοί προσπαθούν να φτιάξουν μια μαύρη τρύπα

Από σελίδα New York Times 11-Σεπτεμβρίου-2001

Για να δει κάποιος τις μαύρες τρύπες, αυτές τις δίνες της βαρύτητας που απορροφούν την ύλη, ακόμη και το φως, χρειάζεται όχι μόνο ένα ισχυρό τηλεσκόπιο αλλά και λίγη φαντασία. Δεν μπορείτε βέβαια να παρατηρήσετε τις τρύπες αυτές καθαυτές, αλλά τα αποτελέσματα που φέρνουν στις γειτονιές τους: καθώς η αστρική ύλη έλκεται προς την απύθμενη κοιλότητα τους, εκπέμπεται ακτινοβολία, η παρουσία της οποίας είναι σημάδι μιας μαύρης τρύπας.

Είναι ανακουφιστικό να σκέπτεται κάποιος ότι αυτό το τόσο αδηφάγο αντικείμενο είναι τόσο μακρυά. Αλλά υπάρχουν φορές που οι φυσικοί επιθυμούν να ρίξουν μια πιό στενή ματιά εκεί μέσα. Μερικές από τις νεώτερες ιδέες στη φυσική υψηλής ενέργειας, προτείνουν ότι αυτό μπορεί σύντομα να είναι δυνατό. Η επόμενη γενιά των επιταχυντών σωματιδίων, όπως ο μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων, Hadron Collider, που είναι υπό κατασκευή στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), το ευρωπαϊκό κέντρο φυσικής κοντά τη Γενεύη, μπορεί να είναι σε θέση να παραγάγει μικροσκοπικές μαύρες τρύπες όταν οι φυσικοί θα το απαιτήσουν. Μερικοί σωματιδιακοί φυσικοί λένε ότι μπορούν να είναι σε καλύτερη θέση από τους κοσμολόγους για να επιβεβαιώσουν μια για πάντα, ότι οι μαύρες τρύπες είναι πραγματικές.

"Οι μελλοντικοί συγκρουστές θα μπορούσαν να γίνουν εργοστάσια μαύρων τρυπών, " λέει ο Δρ. Steven B. Giddings, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στην Santa Barbara. Εάν μερικές πρόσφατες θεωρίες αποδειχθούν σωστές, το φαινόμενο αυτό δεν θα ήταν μια υπόθεση μόνο. Μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα θα μπορούσε να αναδύεται κάθε δευτερόλεπτο και ακίνδυνα να εξαφανίζεται με μια καταφανή έκρηξη ενέργειας.

"Η παραγωγή μαύρων τρυπών πρέπει να κάνει να εμφανιστούν λάμψεις στους ανιχνευτές, όπως τα φωτάκια πάνω στα δέντρα Χριστουγέννων," είπε ο Δρ Giddings.

Ο Δρ. Greg Landsberg, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Brown, που εργάζεται επίσης και στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στη Batavia του Ιλλινόις, ελπίζει να δώσει στους αστρονόμους μιά ώθηση στις θεωρίες τους. "Ενώ μέχρι τώρα συναγωνίζονται να πουν ποιος έχει δει μαύρη τρύπα, από τώρα και στο εξής θα τις βρίσκουν στο εργαστήριο."

Οι κοσμολόγοι θεωρούν την ύπαρξη των μαύρων οπών, να γίνεται συνεχώς και πιο πειστική. Ακριβώς την προηγούμενη εβδομάδα, ανήγγειλαν με ισχυρά νέα στοιχεία, ότι μια μαύρη τρύπα, κρύβεται στον πυρήνα του Γαλαξία μας. Αλλά το να είναι σε θέση οι ίδιοι να δημιουργήσουν και να χειριστούν τις μαύρες τρύπες σε έναν επιταχυντή, θα τις έκανε να φαίνονται πιο προφανείς και να ανοίξουν νέα θεωρητικά πεδία στην εξερεύνησή τους.

Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες χαρακτηρίζουν ένα σημείο της Φυσικής, όπου η θεωρία της βαρύτητας, που αποκαλείται Γενική Σχετικότητα, συναντιέται με την κβαντική μηχανική, η οποία περιγράφει τις άλλες δυνάμεις της φύσης εκτός της βαρύτητας. Οι τεχνητές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να εξετάσουν τις ιδέες για τη συγχώνευση των δύο μεγάλων θεωριών και την δημιουργία της πολυαναμενόμενης Θεωρίας των Πάντων.

"Έχουμε προσπαθήσει για έναν αιώνα, και ακόμα δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τις μαύρες τρύπες," είπε ο Δρ. Andrew Strominger, ένας φυσικός στο Χάρβαρντ. "Εάν υπάρχει κάποια δυνατότητα ώστε να μπορέσουμε πραγματικά να τις πραγματοποίησουμε σε ένα εργαστήριο επιταχυντών και να τις παρατηρήσουμε, αυτό θα ήταν φανταστικό. Θα μπορούσε να μας καθοδηγήσει για να καταλάβουμε το θεμελιώδες μυστήριο για το πώς η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα συγχωνεύονται."

Τα πειράματα θα χρησιμοποιηθούν επίσης για να ερευνήσουν μια από τις πιό ενοχλητικές ιδέες στη σύγχρονη φυσική, πως το σύμπαν αποτελείται από κρυμμένες διαστάσεις, πέρα από τις τρείς που αντιλαμβανόμαστε. Σύμφωνα με τις νέες θεωρίες, μια κρυμμένη, εξαιρετικά ισχυρή βαρύτητα βρίσκεται κρυμμένη μέσα στις άλλες διαστάσεις. Εάν οι φυσικοί θα μπορούσαν να τρυπήσουν αυτό το 'ελατήριο', θα είναι σε θέση να συνθλίψουν τα υποατομικά σωματίδια τόσο έντονα που αυτά θα διαμορφώσουν τις μαύρες τρύπες. Σε αυτή την περίπτωση, αυτό θα βεβαίωνε τη δυνατότητα, ότι οι πρόσθετες διαστάσεις είναι πραγματικές.

Έξω στο Σύμπαν, οι μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν καίγονται τελείως τα πυρηνικά καύσιμα στα αστέρια και έρχεται η κατάρρευση. Δεδομένου ότι ένα αστέρι γίνεται τότε πυκνότερο και συμπαγέστερο, το βαρυτικό πεδίο του γίνεται ισχυρότερο, αναγκάζοντας το να συρρικνωθεί ακόμη και πιο πολύ. Τα μικρότερα αστέρια φθάνουν σε ένα σημείο όπου η βαρύτητα δεν μπορεί να τα συμπιέσει ακόμη πιο πολύ. Αλλά εάν το αστέρι είναι πολύ μεγάλο, τότε ολοένα και πιο πολλή μάζα συγκεντρώνεται σε έναν πολύ μικρό όγκο, κι έτσι τα αστέρια αυτά κάποτε ξεπερνούν ένα κατώτατο όριο. Το αστέρι τότε συντρίβεται κάτω από τη βαρύτητά του και πηγαίνει κατευθείαν στην κατάρρευση, τραβώντας προς τα μέσα, οτιδήποτε πέφτει μέσα στον "ορίζοντα γεγονότων" του, το όριο δηλαδή, πέρα από το οποίο τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει.
Θεωρητικά δεν χρειάζεστε τα αστέρια για να κάνετε μαύρες τρύπες. Ακόμη και δύο αντικείμενα τόσο μικρά όσο και τα υποατομικά σωματίδια, θα μπορούσαν να διαμόρφωναν μια μαύρη τρύπα, εάν συμπιεστούν σε ένα εξαιρετικά μικρό χώρο. Αυτό, εντούτοις, θα απαιτούσε την ενέργεια ενός επιταχυντή σωματιδίων με μέγεθος ενός γαλαξία, κάτι που δεν θα έπαιρνε ποτέ επιχορήγηση μέσω του Κογκρέσου.

Αλλά μπορεί να υπάρξει μια εναλλακτική λύση με χαμηλό κόστος, μια συνταγή για την παραγωγή των μαύρων τρυπών με ενέργειες περίπου τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνιο-βολτ -- μέσα στη περιοχή του μεγάλου Συγκρουστή Αδρονίων. Το σχέδιο είναι βασισμένο στη δυνατότητα ότι οι επιστήμονες έχουν υποτιμήσει την πλήρη ισχύ της βαρύτητας. Υποθέτουν ότι σε αποστάσεις μικρότερες από ένα χιλιοστόμετρο, όπου μέχρι τώρα έχουμε αξιόπιστες μετρήσεις της, η βαρύτητα γίνεται πολύ ισχυρότερη. Έτσι λοιπόν, τα υποατομικά σωματίδια δεν θα έπρεπε να συμπιεστούν τόσο πολύ, προτού να τα αναλάβει η βαρύτητά τους και να τα απορροφήσει σε μια μαύρη τρύπα.

Γιατί όμως η βαρύτητα θα συμπεριφερόταν με αυτόν τον τρόπο; Η απάντηση απαιτεί ένα άλμα της πίστης: όταν ένας φθάνει στον χώρο των πολύ μικρών διαστάσεων, ανοίγουν πρόσθετες διαστάσεις. Και όταν η βαρύτητα έχει περισσότερες διαστάσεις στις οποίες εκδηλώνεται η δράση της, γίνεται πολύ εντονότερη.

Φανταστείτε δύο σωματίδια που έρχονται προς μια μετωπική σύγκρουση. Καθώς το χάσμα μεταξύ τους μικραίνει, η βαρυτική έλξη μεταξύ τους αυξάνεται, σύμφωνα με το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου. Αυτό σημαίνει ότι κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση, η βαρυτική έλξη γίνεται τέσσερις φορές πιο ισχυρή. Για να γίνει αρκετά ισχυρή ώστε να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα, το χάσμα θα έπρεπε να γίνει μόλις 10-33 εκατοστόμετρα, μια απόσταση που αποκαλείται και μήκος του Planck -- και αυτό θα απαιτούσε έναν επιταχυντή γαλαξιακού μεγέθους.

Αλλά όλα αυτά υποθέτουν ότι τα σωματίδια ταξιδεύουν στον γνωστό μας χώρο των τριών διαστάσεων. Εάν όμως η βαρύτητα έχει τέσσερις διαστάσεις στις οποίες ασκείται, υπακούει σε έναν νόμο του αντιστρόφου του κύβου: κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, η βαρυτική δύναμη αυξάνει οκτώ φορές. Στο χώρο των πέντε διαστάσεων, η βαρύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετάρτης δύναμης, έτσι κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, η βαρυτική δύναμη αυξάνει 16 φορές.

Έτσι υποθέστε ότι όταν τα σωματίδια είναι σε απόσταση λιγότερη από ένα χιλιοστόμετρο, μπαίνουν σε ένα χώρο με περισσότερες διαστάσεις. Η βαρύτητα θα αυξανόταν τότε με έναν πολύ γρηγορότερο τρόπο και μια μαύρη τρύπα θα δημιουργόταν όταν αυτά τα σωματίδια θα βρίσκονταν περίπου σε απόσταση10-17 εκατοστόμετρα. Αυτή είναι ακόμα μια απίστευτα μικροσκοπική απόσταση, αλλά είναι 10 τετράκις φορές μεγαλύτερη από το κατώτατο όριο που απαιτείται για τις μαύρες τρύπες στις τρεις διαστάσεις. Και θα μπορούσε να επιτευχθεί με τις ενέργειες που θα παραχθούν από το μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων -Hadron Collider.

Οι φυσικοί έχουν σκεφθεί την ιδέα αυτή, τουλάχιστον από το 1999, όταν το προτάθηκε σε εργασίες από τους Δρ. Nima Arkani-Hamed του Πανεπιστημίου Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, Δρ. Lisa Randall του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ), Δρ. Raman Sundrum του Johns Hopkins και άλλους θεωρητικούς, που δήλωσαν πώς η πλήρης δύναμη της βαρύτητας θα μπορούσε να κρυφτεί μέσα στις πρόσθετες διαστάσεις.

Αυτό το καλοκαίρι, του 2001, δύο ομάδες φυσικών -- ο Δρ. Giddings και ο Δρ. Scott Thomas του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, και ο Δρ. Landsberg και ο Δρ. Σάβας Δημόπουλος, οι οποίοι είναι επίσης στο Στάνφορντ - έδωσαν περισσότερες λεπτομέρειες, που δείχνουν ότι η πολυδιάστατη βαρύτητα θα ήταν αρκετά ισχυρή ώστε να παραγάγει τις μαύρες τρύπες σε μεγάλη αφθονία, στην επόμενη γενιά των επιταχυντών των σωματιδίων.

"Μάλλον αυτό είχε ξεφύγει από την προσοχή μας, προτού να εμφανιστούν οι δύο εργασίες " είπε ο Δρ. Landsberg. "Οι άνθρωποι είχαν σκεφτεί πως η παραγωγή μαύρων τρυπών θα ήταν ένα παράξενο και σπάνιο γεγονός. "

Μετά την κατασκευή του Large Hadron Collider που δρομολογείται για το 2006, οι φυσικοί θα προσπαθήσουν να κάνουν μαύρες τρύπες, με το να βάλουν να συγκρουστούν πρωτόνια μεταξύ τους. Αυτά τα σωματίδια αποτελούνται από ακόμα μικρότερα υποσωματίδια που αποκαλούνται κουάρκς (quarks) και γκλουόνια (gluons). Εάν δύο από αυτά τα "partons" συγκρουστούν για να διαμορφώσουν μια μαύρη τρύπα, το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι θεαματικό.

Η μαύρη τρύπα σχεδόν αμέσως θα εξαφανιζόταν, στέλνοντας μια σφαιρική έκρηξη των υποατομικών σωματιδίων προς τα έξω, όπως οι σπινθήρες σε μια εναέρια επίδειξη πυροτεχνημάτων. Quarks, gluons, ηλεκτρόνια, φωτόνια -- κάθε σωματίδιο στο βιβλίο θα ήταν πιθανό να εμφανιστεί. Οι πιθανότητες ώστε μια τέτοια ευρεία ποικιλία από σωματίδια που εμφανίζονται τυχαία σε μια τέτοια μορφή είναι εξαιρετικά χαμηλές. "Η πιθανότητα της τυχαίας εμφάνισης αυτών όλων των σωματιδίων είναι απολύτως αμελητέα, " είπε ο Δρ Landsberg.

Και εάν η θεωρία κάνει λάθος και οι μαύρες τρύπες δεν εξαφανιστούν αμέσως; Υπάρχει κανένας κίνδυνος να απορροφήσουν τον επιταχυντή, το εργαστήριο, την πόλη της Γενεύης, τις ελβετικές Αλπεις και τελικά ολόκληρο τον πλανήτη μέσα στην τρύπα;

Ελπίζοντας να αποφύγει το είδος των φόβων της Ημέρας της Κρίσεως, δύο έτη πριν στο Σχετιστικό Συγκρουστή Βαρέων Ιόντων (Relativistic Heavy Ion Collider), στο Εθνικό Εργαστήριο που είναι στο Brookhaven στο Long Island της Ν. Υ., οι φυσικοί έχουν κάνει μερικούς καθησυχαστικούς υπολογισμούς.

"Υπάρχει μια σταθερή ροή των κοσμικών ακτίνων με υπερβολική ενέργεια που χτυπούν την ατμόσφαιρα," λέει ο Δρ. Giddings. "Οι ίδιοι υπολογισμοί που κάνουμε για το L.H.C. επίσης προβλέπουν ότι περίπου 100 τέτοιες μαύρες τρύπες ετησίως παράγονται κατά ακίνδυνο τρόπο, στη γήινη ατμόσφαιρα στις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων. Έτσι εάν αυτό ήταν επικίνδυνο, δεν θα πρέπει να είμαστε εδώ για να το ξεκινήσουμε."

Εάν οι μαύρες τρύπες μπορούν να κατασκευαστούν και να μελετηθούν σε αιχμαλωσία, οι φυσικοί θα είναι σε θέση να εξετάσουν τις ιδέες στο όριο της ανθρώπινης κατανόησης. Οι μαύρες τρύπες είναι τόσο μικροσκοπικές που θα υπάκουγαν στους νόμους της κβαντικής μηχανικής, αλλά η βαρύτητά τους είναι τόσο ισχυρή που πρέπει επίσης να υπακούουν και στη γενική σχετικότητα. Παρατηρώντας πώς οι δύο θεωρίες αλληλεπιδρούν, οι φυσικοί θα μπορούσαν να δουν εάν ήταν ακριβώς διαφορετικές εκδηλώσεις ενός γενικότερου νόμου.

Οι επιστήμονες ακόμη θα κερδίσουν κάποια γνώση σε ένα αίνιγμα γνωστό και ως παράδοξο πληροφοριών. Μια θεμελιώδης αλήθεια της κβαντικής μηχανικής είναι ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν ποτέ να εξαφανιστούν από το Σύμπαν. Αλλά τι συμβαίνει όταν ρίχνετε μια εγκυκλοπαίδεια μέσα σε μια μαύρη τρύπα; Όταν η μαύρη τρύπα αποσυντεθεί τελικά, οι πληροφορίες θα χάνονταν.

Αλλά μερικοί φυσικοί θεωρούν ότι οι πληροφορίες δεν πρέπει να εξαφανιστούν πραγματικά, ότι αποτυπώνονται κάπως στη μορφή της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια της εξάτμισης της μαύρης τρύπας. Συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων που συγκρούονται για να διαμορφώσουν μια μαύρη τρύπα -- μεγέθη όπως η ιδιοπεριστροφή (spin) και το φορτίο -- με τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας που βγαίνει (ακτινοβολία Hawking), οι θεωρητικοί μπορούν να ψάξουν για κάποιο είδος λεπτού συσχετισμού.

Τα πειράματα μπορούν επίσης να παράσχουν τις ενδείξεις για τον αριθμό των πρόσθετων διαστάσεων και ακόμη να δώσουν κάποιο υπαινιγμό για την μορφή και το μέγεθός τους.

Στην πραγματικότητα, όταν φθάσουν οι επιταχυντές στην περιοχή των τρισεκατομμυρίων ηλεκτρόνιο-βολτ, οι φυσικοί μπορούν να διαπιστώσουν ότι δεν υπάρχει τίποτα άλλο για να μελετήσουν παρά μόνο μαύρες τρύπες. Οτιδήποτε άλλο, θα κρυβόταν μέσα στους ορίζοντές τους, πέρα από το σημείο της μη επιστροφής.

Φθάνοντας αυτά τα σύνορα, θα σημειωνόταν μια βαθιά αλλαγή στη φύση της σωματιδιακής φυσικής. Καθώς αυτή πηγαίνει σε ολοένα υψηλότερες ενέργειες, οι πειραματιστές μελετούν ό,τι συμβαίνει σε ολοένα και πιο μικροσκοπικούς χώρους. Η εμφάνιση των μαύρων τρυπών θα χαρακτήριζε το χώρο όπου η έννοια του μεγέθους καταρρέει. Αφού δεν θα υπήρχε τίποτα μικρότερο για έλεγχο, η φυσική των πολύ μικρών αποστάσεων θα τερματιζόταν.

"Όταν είπα σε έναν πειραματικό συνάδελφο αυτό, δεν του άρεσε," είπε ο Δρ. Giddings. "Αλλά έπειτα επισήμανα σε αυτόν ότι σε αυτό το σενάριο η φυσική υψηλής ενέργειας έχει το φωτεινό μέλλον: οι πειραματιστές θα γίνονταν οι γεωγράφοι των πρόσθετων διαστάσεων."