То је оно што би (вероватно) могло постојати на другој страни црне рупе

Можда је највише изненађујуће научно откриће у протеклој деценији да универзум врви од црних рупа.

Ове рупе су примећене у различитим и изненађујућим величинама: неке са масом нешто већом од масе Сунца, а друге са масом милијарде пута већом. Они су такође примећени на различите начине: преко радио-емисије материјала који пада према рупи; И кроз свој утицај на звезде које се окрећу око њега; Кроз гравитационе таласе емитоване током њиховог спајања; И кроз изузетно чудно изобличење светлости које изазива (сетите се Ајнштајновог прстена, који се појавио на сликама Стрелца А*, супермасивне црне рупе у центру Млечног пута, која је недавно красила насловне стране међународних новина).

Простор у коме живимо није гладак, већ пун рупа на небу, као цедиљка. Ајнштајнова теорија опште релативности је добро предвидела и описала физичка својства свих црних рупа.

Све што знамо о овим чудним објектима потпуно је у складу са досадашњом Ајнштајновом теоријом. Али постоје два главна питања на која Ајнштајнова теорија не даје одговор.

Прво питање је: Куда иде материја када уђе у црну рупу? Друго питање је: Како завршавају црне рупе? Убедљиви теоријски аргументи, које је први разумео Стивен Хокинг пре неколико деценија, сугеришу да ће се у далекој будућности, након живота који зависи од њене величине, црна рупа скупити (или, како физичари кажу, „испарити“), емитујући врело зрачење сада познат као Хокинг.

Ово узрокује да рупа постаје све мања и мања, све док не постане веома мала. Али шта се дешава после тога? Разлог зашто на ова два питања још увек није одговорено, а Ајнштајнова теорија не даје одговор, јесте то што оба укључују квантне аспекте простор-времена.

То значи да оба укључују квантну гравитацију, али још увек немамо чврсту теорију квантне гравитације.

Покушајте да одговорите

Али има наде, јер имамо пробне теорије. Ове теорије још нису доказане, јер још нису поткрепљене експериментима или запажањима.

Али они су довољно напредни да нам дају оквирне одговоре на ова два важна питања. Стога можемо да користимо ове теорије да бисмо образовано претпоставили шта се дешава.

Није дефинисано

Можда најдетаљнија и најнапреднија теорија квантног простор-времена је квантна гравитација петље или ЛКГ – експериментална теорија квантне гравитације која се стално развија од касних 1980-их.

Захваљујући овој теорији, појавио се занимљив одговор на ова питања. Овај одговор је приказан у следећем сценарију. Унутрашњост црне рупе еволуира све док не достигне фазу у којој квантни ефекти почињу да доминирају.

Ово ствара снажну одбојну силу која одражава динамику унутрашњости црне рупе која се урушава, узрокујући њено „одбијање“. Након ове квантне фазе, описане теоријом квантне гравитације, простор-време унутар рупе поново се повинује Ајнштајновој теорији, осим што се црна рупа сада шири уместо да се скупља.

Могућност ширења црне рупе заправо је предвидела Ајнштајнова теорија, на исти начин као што су је предвиђале црне рупе. То је могућност која је позната деценијама; Овај одговарајући регион простор-времена чак има и име: „бела рупа“.

Опширније:

Иста идеја, али обрнуто

Име одражава идеју да је бела рупа, у извесном смислу, супротна од црне рупе. Можемо размишљати о томе на исти начин на који лопта која се одбија нагоре прати путању навише која је супротна путањи надоле коју је прошла када је та лопта пала.

Бела рупа је просторно-временска структура слична црној рупи, али са обрнутим временом. Унутар црне рупе ствари падају; Али унутар беле рупе ствари се крећу напоље. Ништа не може изаћи из црне рупе; Исто тако, ништа не може ући у белу рупу.

Гледајући споља, дешава се да се на крају процеса испаравања црна рупа, која је сада мала јер је испарила већи део своје масе, претвара у малу белу рупу. ЛКГ истиче да такве структуре постају скоро стабилне због квантних ефеката и стога могу да опстану дуго времена.

Беле рупе се понекад називају „остацима“ јер су оне оно што остаје након што црна рупа испари. Прелазак из црне рупе у белу рупу може се сматрати „квантним скоком“. Ово је слично концепту квантних скокова данског физичара Ниелса Бора, где електрони скачу са једне атомске орбитале на другу када мењају своју енергију.

Квантни скокови узрокују да атоми емитују фотоне, који узрокују емитовање светлости која нам омогућава да видимо ствари. Али теорија квантне гравитације предвиђа величину ових сићушних остатака. Отуда карактеристичан резултат физике: квантизација геометрије. Конкретно, теорија квантне гравитације предвиђа да површина било које површине може имати само одређене дискретне вредности.

Површина остатка хоризонта беле рупе мора бити одређена најмањом вредношћу која не нестаје. Ово одговара белој рупи са масом од фракције микрограма: отприлике тежине људске косе.

Овај сценарио одговара на два питања постављена раније. Оно што се дешава на крају процеса испаравања је да квантна црна рупа скаче у малу, дуговечну белу рупу. Материја која упадне у црну рупу може касније да изађе из ове беле рупе.

Већина енергије материје ће већ бити ослобођена Хокинговим зрачењем — нискоенергетским зрачењем које емитује црна рупа због квантних ефеката који узрокују њено испаравање. Оно што излази из беле рупе није енергија материје која је у њу пала, већ преостало нискоенергетско зрачење, које ипак носи све преостале информације о материји која је у њу пала.

Једна интригантна могућност коју овај сценарио отвара је да је мистериозна тамна материја чији трагови астрономи виде на небу можда заправо настала, у целини или делимично, од малих белих рупа које су генерисале древне црне рупе које испаравају. Ове рупе су можда настале у раним фазама универзума, можда пре Великог праска, који теорија квантне гравитације такође предвиђа.

Ово је атрактивно потенцијално решење мистерије природе тамне материје, јер пружа разумевање тамне материје засновано искључиво на општој релативности и квантној механици, два добро утврђена аспекта природе. Такође не додаје честице случајног поља или нове динамичке једначине, као што то чини већина алтернативних експерименталних хипотеза о тамној материји.

Следећи кораци

Дакле, можемо ли открити беле рупе? Директно посматрање белих рупа биће тешко јер ови мали објекти ступају у интеракцију са простором и материјом која их окружује готово јединствено кроз гравитацију, која је изузетно слаба.

Није лако открити длаку користећи само њену гравитацију. Али можда то више неће бити немогуће како технологија буде напредовала. Већ су предложене идеје о томе како то учинити помоћу детектора заснованих на квантној технологији.

Ако се тамна материја састоји од остатака беле рупе, једноставна процена показује да би неколико таквих објеката могло да лете кроз област величине велике собе сваког дана. За сада морамо да проучимо овај сценарио и како се уклапа са оним што знамо о универзуму, док чекамо да нам технологија помогне да директно откријемо ове објекте.

Али изненађујуће, овај сценарио раније није узет у обзир. Разлог се може пратити уназад до хипотезе коју су прихватили многи теоретичари са позадином у теорији струна: јака верзија такозване „холографске” хипотезе.

Према овој хипотези, информација унутар мале црне рупе је нужно мала, што је у супротности са горњом идејом. Хипотеза се заснива на идеји о вечним црним рупама: технички, идеја да је хоризонт црне рупе нужно хоризонт „догађаја“ (хоризонт „догађаја“ је по дефиницији вечни хоризонт). Ако је хоризонт вечан, онда је оно што се дешава унутра заувек изгубљено, а црна рупа је јединствено различита од онога што се може видети споља.

Али квантни гравитациони феномени ремете хоризонт када постане мали, спречавајући га да буде вечан. Стога, хоризонт црне рупе не може бити хоризонт „догађаја“. Информације које садржи могу бити велике, чак и када је хоризонт мали, и могу се повратити након фазе црне рупе, током фазе беле рупе.

Занимљиво, када су црне рупе проучаване теоретски и њихова квантна својства игнорисана, вечни хоризонт је виђен као њихова дефинитивна особина. Сада када схватамо црне рупе као стварне објекте на небу и истражујемо њихова квантна својства, схватамо да је идеја да њихови хоризонти треба да буду вечни била само идеал.

Реалност је нијансиранија. Можда ништа није вечно, чак ни хоризонт црне рупе.

Опширније: