Η διπλή ζωή των μαύρων τρυπών
Υπάρχουν αστροφυσικές μαύρες τρύπες και μετά υπάρχουν μαθηματικές. Οι αστροφυσικές μαύρες τρύπες βρίσκονται σε γαλαξιακά κέντρα, εκπέμπουν πίδακες θερμού πλάσματος και μερικές φορές καταπίνουν αστέρια. Έχετε ακούσει για αυτά. Οι μαθηματικές μαύρες τρύπες, από την άλλη πλευρά, χρησιμεύουν ως το επίκεντρο των πειραμάτων σκέψης των φυσικών. Δεν σχηματίζονται από αστέρια που καταρρέουν, υπάρχουν για πάντα, και κάθονται σε ένα άδειο σύμπαν. Μπορεί να είναι απείρως μεγάλα, να έχουν τέλειους καθρέφτες γύρω τους ή να εκτείνονται σε έξι διαστάσεις του χώρου. Έχετε ακούσει και για αυτά, αλλά ίσως δεν το προσέξατε.
Η ιστορία των μαύρων τρυπών ξεκίνησε το 1916, όταν ο Karl Schwarzschild ανακάλυψε μια λύση στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν που μπορεί να παγιδεύσει το φως. Η χαρακτηριστική ιδιότητα της μαύρης τρύπας του Schwarzschild - και όλων των μαύρων οπών που ανακαλύφθηκαν αργότερα - είναι η παρουσία ενός «ορίζοντα γεγονότων», της επιφάνειας μιας περιοχής από την οποία τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει. Μόλις διασχίσετε έναν ορίζοντα γεγονότων, παγιδεύεστε για πάντα.
Αρχικά, οι φυσικοί θεωρούσαν το εύρημα του Schwarzschild ως μια θεωρητική περιέργεια, μια καθαρά μαθηματική πιθανότητα που δεν θα συνέβαινε στη φύση. Αλλά το 1935, ο Subrahmanyan Chandrasekhar έδειξε ότι όταν ένα μεγάλο αστέρι τελειώνει από πυρηνικό καύσιμο, η πίεσή του είναι ανεπαρκής για να εξουδετερώσει τη βαρυτική έλξη. Σε αυτή την περίπτωση, τίποτα δεν μπορεί να εμποδίσει το αστέρι να καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα. Με τον Chandrasekhar, οι μαύρες τρύπες έγιναν μια επιστημονική δυνατότητα.
Ωστόσο, οι φυσικοί αγνόησαν σε μεγάλο βαθμό τις μαύρες τρύπες, πιστεύοντας ότι η δημιουργία μιας θα απαιτούσε μια προσεκτικά συντονισμένη ρύθμιση και ότι οι ρεαλιστικές συνθήκες δεν θα οδηγούσαν σε μια ασταμάτητη βαρυτική κατάρρευση. Ωστόσο, αποδείχθηκε το ακριβώς αντίθετο. Στη δεκαετία του 1960, ο Stephen Hawking και ο Roger Penrose απέδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να δημιουργηθούν σε αστρική κατάρρευση κάτω από πολύ γενικές συνθήκες. Το ότι ένα τεράστιο, καμένο αστέρι σχηματίζει μια μαύρη τρύπα, όπως έδειξαν οι υπολογισμοί τους, είναι ο κανόνας, όχι η εξαίρεση.
Πράγματι, στα μέσα της δεκαετίας του 1990, παρατηρήσεις από το κέντρο του Γαλαξία μας αποκάλυψαν ένα αντικείμενο (Τοξότης Α) για το οποίο καμία άλλη εξήγηση εκτός από μια μαύρη τρύπα δεν φαινόταν εύλογη. Και τα τελευταία 20 χρόνια, τα στοιχεία για τις μαύρες τρύπες έχουν γίνει συντριπτικά. Οι αστροφυσικοί ανακάλυψαν ότι όχι μόνο ο δικός μας γαλαξίας, αλλά και οι περισσότεροι γαλαξίες, τους φιλοξενούν. Οι μαύρες τρύπες έχουν δει ότι τρώνε αέρια και αστέρια και λειτουργούν ως βαρυτικοί φακοί. Η ύπαρξή τους δεν είναι πλέον αμφιλεγόμενη.
Εν τω μεταξύ, οι μαύρες τρύπες ανέπτυξαν μια δεύτερη ζωή. Το 1972, ο Jakob Bekenstein ανακάλυψε ότι η επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας αντιστοιχεί σε μια εντροπία, μια ποσότητα που συνήθως σχετίζεται με αέρια. Αυτή η αξιοσημείωτη σύνδεση μεταξύ θερμοδυναμικής και βαρύτητας έγινε πιο σφιχτή όταν, το 1974, ο Stephen Hawking κατέληξε στο ότι οι μαύρες τρύπες έχουν θερμοκρασία και εξατμίζονται.
Η διαπίστωση του Χόκινγκ ότι οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται προκάλεσε στους θεωρητικούς φυσικούς πολύ πονοκέφαλο. Αυτό συμβαίνει επειδή η ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες δεν περιέχει πληροφορίες. Έτσι, εάν μια μαύρη τρύπα καταρρεύσει και στη συνέχεια εξατμιστεί εντελώς, φαίνεται ότι οι πληροφορίες που περιείχε καταστράφηκαν. Αυτό, ωστόσο, θα ήταν ασύμβατο με την κβαντική θεωρία, σύμφωνα με την οποία οι πληροφορίες πρέπει να διατηρούνται.
Αυτό το «πρόβλημα πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα» είναι προς το παρόν ένα καθαρά μαθηματικό αίνιγμα, επειδή η θερμοκρασία των αστροφυσικών μαύρων τρυπών είναι πολύ μικρή για να είναι παρατηρήσιμη. Οι πραγματικές μαύρες τρύπες δεν θα εξατμιστούν παρά μόνο εκατοντάδες δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον. Αλλά οι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι η επίλυση του προβλήματος της πληροφορίας θα τους βοηθήσει να κατανοήσουν τις κβαντικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου, και ως εκ τούτου θα τους επιτρέψει να βρουν μια θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας». Η επίλυση του προβλήματος πληροφοριών της μαύρης τρύπας είναι ένα από τα σημεία αναφοράς που πρέπει να περάσει μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας.
Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να μελετήσουμε τις μαύρες τρύπες σε εργαστήριο, οι θεωρητικοί έχουν χρησιμοποιήσει πειράματα σκέψης για να κατανοήσουν την τύχη ενός σωματιδίου που διασχίζει τον ορίζοντα. Αυτά τα πειράματα σκέψης είναι εξαιρετικά αφηρημένα. Οι παρατηρητές δεν έχουν μάζα. Οι ανιχνευτές δεν χρειάζονται βαθμονόμηση. Οι μαύρες τρύπες δεν έχουν αέριο που στροβιλίζεται γύρω τους. Σε τέτοιες εξιδανικευμένες καταστάσεις, οι θεωρητικοί προσπάθησαν να υπολογίσουν τι συμβαίνει σε ένα μόνο κβάντο πληροφοριών που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα. Από αυτό έμαθαν ότι οι μαύρες τρύπες είναι έμπειροι ταχυδακτυλουργοί πληροφοριών, ικανοί να διανέμουν και να ανακατεύουν κομμάτια πιο αποτελεσματικά από οποιοδήποτε άλλο γνωστό σύστημα.
Τα μαθηματικά είναι πλούσια και έχουν δώσει εκπληκτικές γνώσεις. Για παράδειγμα, η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιονδήποτε αριθμό διαστάσεων του χώρου. Και οι θεωρητικοί έχουν βρει ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των διαστάσεων, τόσο περισσότεροι τύποι μαύρων τρυπών υπάρχουν. Στις τρεις διαστάσεις του χώρου, έχουμε μόνο σφαιρικές μαύρες τρύπες. Σε τέσσερις ή περισσότερες διαστάσεις του χώρου, ωστόσο, θα μπορούσαμε να έχουμε μαύρες τρύπες σε σχήμα δακτυλίου. Θα μπορούσαμε επίσης να έχουμε μαύρες ράβδους ή πολλαπλούς αποσυνδεδεμένους ορίζοντες, όπως αρκετούς δακτυλίους ή δακτυλίους γύρω από σφαίρες — «μαύρους Κρόνους».
Επιπλέον, στους θεωρητικούς χορδών αρέσει να μελετούν τις μαύρες τρύπες σε σύμπαντα με αρνητική κοσμολογική σταθερά (οι λεγόμενοι χώροι Anti-de Sitter). Το πραγματικό μας σύμπαν έχει μια θετική κοσμολογική σταθερά. Αλλά αν η κοσμολογική σταθερά είναι αρνητική, οι ορίζοντες της μαύρης τρύπας μπορεί να είναι απείρως εκτεταμένα επίπεδα. Εκτός από τις υψηλότερες διαστάσεις και την αρνητική κοσμολογική σταθερά, οι θεωρητικοί προτιμούν επίσης τις μαύρες τρύπες που υπάρχουν για πάντα και εξισορροπούν την απώλεια μάζας από την ακτινοβολία υποθέτοντας ότι πέφτει ίση ποσότητα ύλης.
Αυτές είναι άκρως αφηρημένες καταστάσεις που δεν θα παρατηρήσουμε ποτέ στο πραγματικό σύμπαν. Αλλά οι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι η εξέταση μαθηματικών μαύρων τρυπών σε χώρους με αρνητική κοσμολογική σταθερά μπορεί να έχει οφέλη σε άλλους τομείς εκτός από την αστροφυσική. Ως συνέπεια μιας εικασίας που προτάθηκε από τον Juan Maldacena το 1997, τα μαθηματικά των μαύρων οπών σε τέτοιους χώρους μπορεί να περιγράφουν συλλογές σωματιδίων που αλληλεπιδρούν έντονα.
Έτσι μπορεί να έχετε ακούσει για τις μαθηματικές μαύρες τρύπες:Είναι ο τρόπος των θεωρητικών χορδών να μοντελοποιούν τη συμπεριφορά πλάσματος κουάρκ-γλουονίων ή «παράξενων» μετάλλων (ονομάζονται «παράξενα» επειδή είναι δύσκολο να κατανοηθούν με τις κοινές μαθηματικές επεξεργασίες ). Σε πιο πρόσφατες εξελίξεις, μαθηματικές μαύρες τρύπες έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του χάους και της πολυπλοκότητας σε ορισμένα κβαντικά συστήματα. Το αν αυτοί οι υπολογισμοί θα οδηγήσουν σε χρήσιμες προβλέψεις μένει να φανεί. Αλλά αναμφίβολα έχουν προσθέσει νέα εργαλεία στο κιτ μαθηματικών εργαλείων και ποιος ξέρει, ίσως μια μέρα βρούμε ένα καρφί για το σφυρί.
Οι μαθηματικές μαύρες τρύπες επέτρεψαν στους θεωρητικούς φυσικούς να βρουν συνδέσμους μεταξύ περιοχών του κλάδου τους που κάποτε πίστευαν ότι ήταν σε μεγάλο βαθμό αποσυνδεδεμένες:θερμοδυναμική, βαρύτητα, κβαντικές πληροφορίες και φυσική συμπυκνωμένης ύλης. Αυτές οι ιδέες μπορεί να βοηθήσουν στην ανάπτυξη μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας ή να δημιουργήσουν νέες μεθόδους για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς ορισμένων ρευστών. Αλλά αυτή η έρευνα είναι σε μεγάλο βαθμό αποσυνδεδεμένη από την αστροφυσική μελέτη των μαύρων τρυπών - ερωτήματα σχετικά με το σχηματισμό, τη διανομή, τους πίδακες τους και τον τρόπο συγχώνευσης τους. Με άλλα λόγια, το ερώτημα πώς εξηγούνται οι παρατηρήσεις.
