Τι λένε οι ηχητικές μαύρες τρύπες για τις πραγματικές

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Σε μια διάλεξη του 1972 στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ένας νεαρός φυσικός ονόματι William Unruh ζήτησε από το κοινό να φανταστεί ένα ψάρι να ουρλιάζει καθώς βυθίζεται πάνω από έναν καταρράκτη. Το νερό πέφτει τόσο γρήγορα σε αυτόν τον πλασματικό καταρράκτη που υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου σε ένα ορισμένο σημείο της διαδρομής. Αφού το ψάρι πέσει πέρα ​​από αυτό το σημείο, το νερό σαρώνει τις κραυγές του προς τα κάτω πιο γρήγορα από ό,τι τα ηχητικά κύματα μπορούν να ανέβουν και το ψάρι δεν ακούγεται πλέον από τους φίλους του στο ποτάμι πάνω.

Κάτι παρόμοιο συμβαίνει, εξήγησε ο Unruh, όταν πέφτεις σε μια μαύρη τρύπα. Καθώς πλησιάζετε ένα από αυτά τα εξαιρετικά πυκνά αντικείμενα, ο ιστός του χώρου και του χρόνου γίνεται ολοένα και πιο καμπύλος - ισοδύναμο με την ενίσχυση της βαρύτητας, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Σε ένα σημείο χωρίς επιστροφή γνωστό ως «ορίζοντας γεγονότων», η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται τόσο απότομη που τα σήματα δεν μπορούν πλέον να σκαρφαλώσουν στον έξω κόσμο. Εντός του ορίζοντα γεγονότων, ακόμη και το φως συγκρατείται από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας, καθιστώντας τις μαύρες τρύπες αόρατες.

Στα χρόνια που ακολούθησαν την ομιλία του Unruh, οι μαύρες τρύπες - μέρη όπου η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική, οι δύο πυλώνες της σύγχρονης φυσικής, συναντώνται και θρυμματίζονται με παράδοξο τρόπο - αναδύθηκαν από την αφάνεια και έγιναν μοτίβα στην αναζήτηση μιας συνολικής θεωρίας της «κβαντικής βαρύτητας .» Εν τω μεταξύ, η ακουστική αναλογία του Unruh αποδείχθηκε ότι λειτούργησε ακόμα καλύτερα από ό,τι πίστευε αρχικά. Σε μια θεμελιώδη εργασία του 1981, έδειξε ότι οι ορίζοντες γεγονότων της μαύρης τρύπας και οι ηχικοί ορίζοντες σε συστήματα όπως ο καταρράκτης του - που τώρα αναφέρονται ως ηχητικές μαύρες τρύπες - μπορούν να περιγραφούν με πανομοιότυπες εξισώσεις. Λαμβάνοντας υπόψη τις «καταπληκτικές μαθηματικές ομοιότητές τους», ο Unruh, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας στο Βανκούβερ, είπε πρόσφατα, «έχεις την αίσθηση ότι αν κατανοείς πραγματικά ένα σύστημα, αυτό θα σου δώσει μια εικόνα για το άλλο».>

Οι ερευνητές άρχισαν να μελετούν τη φυσική των ηχητικών μαύρων οπών για ενδείξεις σχετικά με τις πραγματικές μαύρες τρύπες. Και τα τελευταία χρόνια, άρχισαν να δημιουργούν ηχητικές μαύρες τρύπες στο εργαστήριο και να επινοούν όλο και πιο εξελιγμένα αναλογικά πειράματα. Το περασμένο καλοκαίρι, ο Jeff Steinhauer του Technion στη Χάιφα του Ισραήλ, ανέφερε το απόλυτο εύρημα:την ανίχνευση του ηχητικού αναλόγου της ακτινοβολίας Hawking, ένα υποθετικό φαινόμενο μαύρης τρύπας που είχε προβλεφθεί από τον Stephen Hawking το 1974.

Η πρόβλεψη του Χόκινγκ ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν θερμότητα και τελικά εξατμίζονται εντελώς προκαλεί το βαθύ «παράδοξο της πληροφορίας», το οποίο ρωτά τι συμβαίνει με τις πληροφορίες σχετικά με τα πράγματα που έπεσαν μέσα τους. Ο υπολογισμός του Χόκινγκ υποδηλώνει ότι αυτές οι πληροφορίες χάνονται, ουσιαστικά διαρρέουν από το σύμπαν όταν εισέρχεται σε μια μαύρη τρύπα. Σε αυτή την περίπτωση, το πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής, που αντιμετωπίζει τις πληροφορίες ως το θεμελιώδες, άφθαρτο νόμισμα του σύμπαντος, πρέπει να εγκαταλειφθεί. Αλλά αν διατηρηθούν οι πληροφορίες, όπως πιστεύουν οι περισσότεροι φυσικοί, τότε η πρόβλεψη του Χόκινγκ είναι λανθασμένη και το καθήκον για οποιαδήποτε θεωρία της κβαντικής βαρύτητας είναι να αποκαλύψει το ελάττωμα στη λογική του. Το παράδοξο της πληροφορίας «έχει οξύνει την πρόκληση του τι πρέπει να αντιμετωπίσουμε για να κατανοήσουμε την κβαντική βαρύτητα», είπε ο Ραφαέλ Μπούσο, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος ήταν προστατευόμενος του Χόκινγκ.

Παρ' όλη τη σημασία του, ο υπολογισμός του Hawking δεν μπορεί να ελεγχθεί άμεσα. η ακτινοβολία από τις πραγματικές μαύρες τρύπες είναι πολύ αμυδρή για να ανιχνευθεί. Η μέτρηση του ανάλογου φαινομένου σε μια ηχητική μαύρη τρύπα - σε αυτή την περίπτωση, κβαντικές μονάδες ήχου που ακτινοβολούν προς τα έξω από έναν ηχητικό ορίζοντα - φέρνει επομένως ένα μακροχρόνιο ερώτημα:Είναι οι ηχητικές μαύρες τρύπες αληθινά ανάλογα των μαύρων οπών; Πιο συγκεκριμένα, τα ευρήματα του Steinhauer επικυρώνουν έμμεσα τον υπολογισμό του Hawking, αποδεικνύοντας ότι οι πληροφορίες χάνονται στις μαύρες τρύπες;

«Όλοι στην κοινότητα λένε:«Ουάου, υπέροχα πειράματα!» είπε ο Daniele Faccio, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Heriot-Watt στο Εδιμβούργο της Σκωτίας, ο οποίος μελετά επίσης τις αναλογικές μαύρες τρύπες. "Αλλά νομίζω ότι πολλοί άνθρωποι λένε, "Τι σημαίνουν;""

Μερικοί ερευνητές βλέπουν έμμεσα στοιχεία για την ακτινοβολία Hawking στο πείραμα του Steinhauer. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο τον περασμένο μήνα, ο φυσικός που έγινε φιλόσοφος Karim Thebault από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στην Αγγλία υποστήριξε ότι «μια ανάλογη μαύρη τρύπα μπορεί να θεωρηθεί ότι «αντέχει» σε μια αστροφυσική μαύρη τρύπα». Άλλοι βλέπουν μια κόκκινη ρέγγα. Ο Ντάνιελ Χάρλοου, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, θεώρησε το πείραμα «ένα διασκεδαστικό επίτευγμα μηχανικής» που «δεν θα μας διδάξει τίποτα για τις μαύρες τρύπες».

Το ερώτημα ποια ερμηνεία είναι σωστή έγκειται στο τι ακριβώς αποκάλυψε για το σύμπαν ο υπολογισμός του Χόκινγκ πριν από 42 χρόνια.

Παραδόξως, έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι μαύρες. Το τυχαίο κβαντικό jitter τα κάνει να λάμπουν. Παντού στον χωροχρόνο, ζεύγη «εικονικών» σωματιδίων αναδύονται συνεχώς και αλληλοεξουδετερώνονται. Ο Χόκινγκ συνειδητοποίησε ότι όταν αυτά τα ζεύγη προκύπτουν στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας, ένα εικονικό σωματίδιο θα απορροφηθεί ενώ ο σύντροφός του δραπετεύει, αποτρέποντας την αμοιβαία καταστροφή τους. Το σωματίδιο που διαφεύγει γίνεται πραγματικό, κλέβοντας την ενέργεια που απαιτείται για την αναβάθμιση από το βαρυτικό πεδίο της μαύρης τρύπας. Εν τω μεταξύ, το σωματίδιο που πέφτει αποκτά αρνητική ενέργεια, μειώνοντας την ενέργεια της μαύρης τρύπας. Έτσι, ένα ακτινοβολούμενο σωματίδιο κάθε φορά, η μαύρη τρύπα αναβοσβήνει χωρίς να υπάρχει, χωρίς τελικά να αφήνει ίχνη:Ο υπολογισμός του Χόκινγκ έδειξε ότι η ακτινοβολία είναι «θερμική», που αποτελείται από μια άχαρη, τυχαία διασπορά ενεργειών που δεν κωδικοποιεί λεπτομέρειες για το αστέρι που έχει καταρρεύσει που σχημάτισε τη μαύρη τρύπα ή για οτιδήποτε άλλο ενδιαφέρον μπορεί να είχε πέσει.

Εκεί βρίσκεται το παράδοξο. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, οι πιθανότητες όλων των πιθανών καταστάσεων των σωματιδίων στο σύμπαν πρέπει να σέβονται την «ενότητα», εξελισσόμενη με τέτοιο τρόπο ώστε οι προηγούμενες καταστάσεις του σύμπαντος να μπορούν κατ' αρχήν να καθορίζονται μοναδικά με επανατύλιξη από την παρούσα κατάστασή του. Αλλά εάν οι πληροφορίες χαθούν όταν μια μαύρη τρύπα εξατμίζεται σε ένα άχαρο αέριο ακτινοβολίας Hawking, τότε το παρελθόν του σύμπαντος δεν μπορεί να συλλεχθεί από το παρόν και η κβαντική μηχανική καταρρέει.

Ή ίσως ο Χόκινγκ έκανε λάθος.

Για να κάνει τον υπολογισμό του, έκανε μια βασική υπόθεση:ότι ο χωροχρόνος είναι ομαλός και συνεχής στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας, όπως περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι αυτό είναι μια προσέγγιση. μεγεθύνετε αρκετά το χωροχρονικό συνεχές του Αϊνστάιν και αναδύεται μια πιο θεμελιώδης, κβαντική μορφή βαρύτητας. Όμως, ενώ η κβαντική βαρύτητα γίνεται σίγουρα σημαντική κοντά στο υπερ-πυκνό κέντρο μιας μαύρης τρύπας, γνωστό ως «ιδιαιτερότητα», ο Χόκινγκ υπέθεσε ότι μπορούσε να αγνοήσει αυτή τη φυσική μικρής απόστασης στην περιγραφή του για τις κβαντικές διακυμάνσεις στον ορίζοντα, όπου η βαρύτητα είναι σχετικά ήπια. . Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η κλίση του χωροχρόνου είναι αρκετά ήπια στον ορίζοντα μιας τυπικής υπερμεγέθους μαύρης τρύπας (όπως αυτές στα κέντρα πολλών γαλαξιών) που ένας αστροναύτης που επιπλέει δεν θα μπορούσε καν να παρατηρήσει.

Το 1981, ο Unruh ανακάλυψε ότι το σχήμα προσέγγισης του Hawking μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στα υγρά. Όπως ο χωροχρόνος, τα ρευστά εμφανίζονται συνεχόμενα σε μεγάλες κλίμακες, παρόλο που κατά βάθος αποτελούνται από διακριτά άτομα. Ο Unruh έδειξε ότι, ακριβώς όπως τα ζεύγη σωματιδίων κυμαίνονται μέσα και έξω από το χωροχρόνο, οι δονήσεις που ονομάζονται «φωνόνια», οι κβαντικές μονάδες ήχου, θα πρέπει να εμφανίζονται σε όλα τα υγρά. Και όταν ζεύγη φωνονίων προκύπτουν κοντά στον ηχητικό ορίζοντα μιας ηχητικής μαύρης τρύπας, θα πρέπει να διασπαστούν και να γίνουν μόνιμα, παράγοντας το ηχητικό ανάλογο της ακτινοβολίας Hawking.

Αυτό είναι το φαινόμενο που ανέφερε ο Jeff Steinhauer τον Αύγουστο στο Nature Physics , μετά από κόπο για το πείραμά του από το 2009 — «αποκλειστικά, όλη μέρα κάθε μέρα», είπε. Δημιούργησε ένα εξωτικό ρευστό που ονομάζεται «συμπύκνωμα Bose-Einstein» από υπερψυγμένα άτομα ρουβιδίου. Έπειτα, το έκανε να ρέει και έριξε το ρευστό κατά μήκος της διαδρομής ροής του με ένα λέιζερ, επιταχύνοντάς το σε υπερηχητική ταχύτητα και δημιουργώντας έναν ηχητικό ορίζοντα. Τέλος, ο Steinhauer μέτρησε την κβαντική εμπλοκή μεταξύ ζευγών φωνονίων εκατέρωθεν αυτού του ορίζοντα, σύμφωνα με την ηχητική ακτινοβολία Hawking.

Το εύρημα επιβεβαιώνει ότι η προσέγγιση του ρευστού λειτουργεί στην περίπτωση ηχητικών μαύρων οπών. «Το ερώτημα είναι πόσο σχετίζονται οι προσεγγίσεις;» είπε ο Stephan Hartmann, φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian στο Μόναχο της Γερμανίας. Εάν οι ηχητικές μαύρες τρύπες χρησιμεύουν ως αληθινό ανάλογο, τότε η προσέγγιση του Χόκινγκ είναι σωστή, ο ορίζοντας γεγονότων είναι ένα μέρος χωρίς γεγονότα και οι πληροφορίες καταστρέφονται στις μαύρες τρύπες, πράγμα που σημαίνει ότι οι πιθανολογικοί κανόνες της κβαντικής μηχανικής πρέπει να αντικατασταθούν από ένα πιο θεμελιώδες πλαίσιο. Εάν η προσέγγιση του Χόκινγκ είναι λανθασμένη, τότε οι ηχητικές μαύρες τρύπες δεν είναι καλοί υποδοχείς για τις μαύρες τρύπες και η κβαντική βαρύτητα μπορεί να κωδικοποιεί κατά κάποιο τρόπο τις ιστορίες των μαύρων οπών στην ακτινοβολία τους, διατηρώντας τις πληροφορίες καθώς οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται.

Ο Unruh πιστεύει ότι η προσέγγιση του Hawking είναι σωστή. Το 2005, αυτός και ο Ralf Schützhold του Πανεπιστημίου του Duisburg-Essen στη Γερμανία έδειξαν ότι η ακτινοβολία Hawking εμφανιζόταν σταθερά ως μια ισχυρή θεωρητική πρόβλεψη τόσο στις ηχητικές μαύρες τρύπες όσο και στις πραγματικές μαύρες τρύπες, ανεξάρτητα από τις θεωρητικές υποθέσεις που έκαναν για τις λεπτομέρειες του φυσική μικρής απόστασης. Οι ιδιότητες μικρής κλίμακας του χωροχρόνου ή των ρευστών δεν επηρέασαν ποτέ το αποτέλεσμα του υπολογισμού, υποδηλώνοντας ότι η προσέγγιση του Χόκινγκ δεν παραβλέπει τίποτα σημαντικό. Ο Unruh ερμηνεύει αυτό ότι σημαίνει ότι τα φαινόμενα από την κβαντική βαρύτητα δεν είναι ικανά να τροποποιήσουν την ακτινοβολία Hawking και να διασώσουν πληροφορίες. Κατά τη γνώμη του, το αποτέλεσμα του Σταϊνχάουερ προσθέτει στην απόδειξη ότι «αυτή η θερμική ακτινοβολία είναι ένα πραγματικά ισχυρό φαινόμενο» και ως εκ τούτου, ότι «οι πληροφορίες χάνονται».

Ωστόσο, οι περισσότεροι ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας πιστεύουν ότι οι πληροφορίες διατηρούνται - συμπεριλαμβανομένου του Χόκινγκ, ο οποίος άλλαξε στρατόπεδο τη δεκαετία του 2000. Από την άποψή τους, ένα ανάλογο της ακτινοβολίας Hawking στις ηχητικές μαύρες τρύπες δεν λέει τίποτα για τις πραγματικές μαύρες τρύπες επειδή οι δύο είναι κατηγορηματικά διαφορετικές. Ενώ η προσέγγιση του ρευστού είναι ακριβής στην περίπτωση των ηχητικών μαύρων οπών, ο χωροχρόνος δεν πρέπει να είναι περίπου ομαλός στους ορίζοντες γεγονότων της μαύρης τρύπας. Κατά κάποιο τρόπο, η κβαντική βαρύτητα τροποποιεί τους ορίζοντες - και πρέπει να το κάνει με ακραίο τρόπο, για να παρακάμψει το επιχείρημα των Unruh και Schutzhold σχετικά με την ευρωστία της ακτινοβολίας Hawking. «Είμαστε στην κατάσταση όπου κάτι μεγάλο πρέπει να δώσει», είπε ο Bousso. "Αλλά εξακολουθούμε να μην ξέρουμε ακριβώς με τι να αντικαταστήσουμε τη γενική σχετικότητα στον ορίζοντα."

Κάποια πειράματα σκέψης υποδηλώνουν ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι άδεια κελύφη που μεταφέρουν όλες τις πληροφορίες τους επιχρισμένες στους ορίζοντές τους και τις προβάλλουν προς τα έξω στο υπόλοιπο σύμπαν σαν ολογράμματα. Σε αυτήν την περίπτωση, η πτώση σε μια μαύρη τρύπα θα ήταν λιγότερο σαν ένα ψάρι που βυθίζεται πάνω από έναν καταρράκτη και περισσότερο σαν ένα ζωύφιο που πέφτει σε ένα παράθυρο.

Κατά την άποψη της πλειοψηφίας, η σύγκριση με τις ηχητικές μαύρες τρύπες απλώς ενισχύει το πόσο περίεργες πρέπει να είναι οι μαύρες τρύπες και η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Ο Χάρλοου, που έχει αυτή την άποψη, βλέπει τις ηχητικές μαύρες τρύπες όχι ως ανάλογα μαύρης τρύπας, αλλά περισσότερο σαν προσομοιώσεις υπολογιστή που εκτελούν λάθος εξισώσεις. Εάν επρόκειτο να προσομοιώσετε τις εξισώσεις της κβαντικής βαρύτητας, «τότε περιμένω από εσάς να βρείτε τη σωστή απάντηση», είπε. "Προς το παρόν, δεν ξέρω ποιες εξισώσεις να σας δώσω."

Αποθήκευση

Αποθήκευση