The Strangeness of Black Holes
Αυτό το δοκίμιο είναι ένας από τους πέντε νικητές στον διαγωνισμό συγγραφής του 2019 που πραγματοποιήθηκε από την πρωτοβουλία Black Hole Initiative στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Η Πρωτοβουλία Μαύρων Τρυπών προσφέρει ένα μοναδικό περιβάλλον για να σκεφτόμαστε το θέμα των μαύρων τρυπών πιο δημιουργικά και ολοκληρωμένα», λέει ο διευθυντής του BHI, Avi Loeb. Για να προσθέσετε το πλαίσιο στη συναρπαστική ανακοίνωση της 10ης Απριλίου ότι οι αστρονόμοι παρατήρησαν μια μαύρη τρύπα για πρώτη φορά, αυτή την εβδομάδα Το Nautilus εμφανίζει και τα πέντε δοκίμια που κέρδισαν.
Οι μαύρες τρύπες είναι μερικά από τα πιο παράξενα φαινόμενα στο σύμπαν μας. Εδώ, θέλουμε πρώτα να τα συζητήσουμε ως αντικείμενα μιας κλασικής φυσικής θεωρίας, όπου η κλασική σημαίνει ότι ξεχνάμε όλα τα πιθανά κβαντικά αποτελέσματα και τις συνέπειές τους. Στην παρούσα περίπτωση, η υποκείμενη κλασική θεωρία είναι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. Περιγράφει τον χώρο και τον χρόνο με όρους μιας συλλογής πεδίων των οποίων η συμπεριφορά υπαγορεύεται από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν.
Ένα φυσικό ερώτημα που πρέπει να τεθεί είναι πώς αυτή η θεωρία περιγράφει τον χώρο και τον χρόνο γύρω από ένα τεράστιο σφαιρικό αντικείμενο όπως ένα αστέρι; Τη λύση σε αυτό βρήκε ο Schwarzschild. Ισχύει γύρω από κάθε στατικό στρογγυλό αντικείμενο και, αξιοσημείωτα, εξαρτάται μόνο από τη μάζα του. Ωστόσο, αρκετά περίεργα πράγματα μπορούν να συμβούν όταν όλη αυτή η μάζα συσσωρεύεται σε μια συγκεκριμένη ακτίνα που ονομάζεται από τον Schwarzschild. Τότε σχηματίζεται ένας λεγόμενος ορίζοντας γεγονότων στην ακτίνα Schwarzschild και αρχίζουμε να μιλάμε για μια μαύρη τρύπα.
Πριν ρίξουμε περισσότερο φως στην περίεργη κατάσταση των μαύρων τρυπών, ας προσπαθήσουμε να αποκτήσουμε μια διαίσθηση για τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορούν να εμφανιστούν οι μαύρες τρύπες. Η ακτίνα Schwarzschild rs και η μάζα M ενός σφαιρικού αντικειμένου έχουν μια πολύ εύκολη σχέση:Είναι ανάλογα μεταξύ τους, rs =a x Μ , με a είναι πολύ μικρό όταν μετράμε σε τυπικές μονάδες. Ας εξετάσουμε για παράδειγμα ένα αντικείμενο με τη μάζα της γης, τότε η ακτίνα Schwarzschild του δίνεται μόνο κατά περίπου 9 χιλιοστά! Δεν είναι γνωστή καμία φυσική διαδικασία κατά την οποία όλη η γη μπορεί να συμπιεστεί τόσο πολύ και φαίνεται μάλλον απίθανο να υπάρχουν πολλές (αν υπάρχουν) μαύρες τρύπες με τη μάζα της γης. Η κατάσταση αλλάζει όταν εξετάζουμε όλο και μεγαλύτερες μάζες. Αυτό συμβαίνει επειδή ο όγκος εντός της ακτίνας Schwarzschild, δηλαδή ο χώρος όπου μπορούμε να αποθηκεύσουμε όλη τη μάζα για να σχηματίσουμε μια μαύρη τρύπα, αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα. Στην πραγματικότητα, αν διπλασιάσουμε τη μάζα παίρνουμε περίπου οκτώ φορές περισσότερο όγκο για να την αποθηκεύσουμε. Ο σχηματισμός μαύρων οπών γίνεται ευκολότερος όσο πιο βαριές είναι. Είναι γνωστό ότι υπάρχουν μηχανισμοί στο τέλος της ζωής των πολύ μεγάλων άστρων που οδηγούν στο σχηματισμό των λεγόμενων αστρικών μαύρων τρυπών. Ακόμη και πιο βαριές μαύρες τρύπες μπορούν για παράδειγμα να αναπτυχθούν όταν συγχωνεύονται αστρικές.
Ας επιστρέψουμε στην υποσχεμένη παραξενιά των μαύρων τρυπών. Στην πραγματικότητα, αν είμαστε πολύ μακριά από τη μαύρη τρύπα, δεν διαφέρει πολύ από οποιοδήποτε άλλο αστρικό αντικείμενο της ίδιας μάζας. Η μόνη μεγάλη διαφορά είναι ότι δεν βλέπουμε κανένα φως που προέρχεται από τη μαύρη τρύπα. Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα, που εμφανίζεται όταν ερχόμαστε πιο κοντά σε αυτό, είναι ότι ο χρόνος για εμάς περνάει πιο αργά από ό,τι για εκείνους που μένουν μακριά από τη μαύρη τρύπα. Ωστόσο, το αποτέλεσμα δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί με άμεσο τρόπο. Οποιοδήποτε ρολόι που κουβαλάμε μαζί μας συμπεριφέρεται πολύ καλά από τη δική μας οπτική γωνία. Μόνο αν επιστρέψουμε σε ένα μέρος μακριά από τη μαύρη τρύπα και συγκρίνουμε τους χρόνους που πέρασαν, θα μπορούσαμε να δούμε διαφορά. Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται, στην πραγματικότητα, για κάθε τεράστιο αντικείμενο στο οποίο πλησιάζουμε, και δεν είναι μόνο χαρακτηριστικό των μαύρων τρυπών. Θυμηθείτε ότι η λύση στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, που μας λέει συγκεκριμένα πώς συμπεριφέρεται ο χρόνος, έξω από το σφαιρικό αντικείμενο εξαρτάται μόνο από τη μάζα του! Ωστόσο, για κάθε αστρικό αντικείμενο που δεν είναι μαύρη τρύπα, κάποια στιγμή θα φτάναμε σε αυτό το αντικείμενο και θα μπήκαμε σε αυτό. Μέσα σε αυτό, οι λύσεις εξαρτώνται από τις ιδιαιτερότητές του. Κάποιος μπορεί να δείξει ότι επιδράσεις όπως η διαστολή του χρόνου δεν μπορούν να αυξηθούν περαιτέρω αυθαίρετα. Εάν, ωστόσο, πλησιάζουμε όλο και πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, το φαινόμενο θα μεγαλώνει χωρίς περιορισμό μέχρι να φτάσουμε στον προαναφερθέντα ορίζοντα γεγονότων.
Η διέλευση του ορίζοντα γεγονότων έχει ορισμένες σοβαρές συνέπειες. Αν πάρουμε για παράδειγμα σοβαρά την τελευταία παρατήρηση της απεριόριστης χρονικής διαστολής, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι τη στιγμή που περνάμε στον ορίζοντα περνάει όλος ο χρόνος για οτιδήποτε έξω από τη μαύρη τρύπα. Το τέλος όλων των πραγμάτων συμβαίνει στο υπόλοιπο σύμπαν και μάλιστα μετά τη στιγμή που μπαίνουμε στη μαύρη τρύπα, δεν υπάρχει τρόπος επιστροφής. Αυτό είναι επίσης ορατό σε ένα αξιοσημείωτο και περίεργο χαρακτηριστικό της λύσης του Schwarzschild. Αν το συγκρίνουμε εντός και εκτός του ορίζοντα γεγονότων, παρατηρούμε ότι ο παγκόσμιος χρόνος και η ακτινική κατεύθυνση αντάλλαξαν τη σημασία τους. Σε έναν κόσμο έξω από τη μαύρη τρύπα όλα και όλοι πρέπει να προχωρήσουν εγκαίρως. Αυτό είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της θεωρίας του Αϊνστάιν. Μέσα στον ορίζοντα γεγονότων η ακτινική κατεύθυνση παίρνει τη θέση του χρόνου με τη δραστική συνέπεια ότι, ανεξάρτητα από το τι, πρέπει να προχωρήσουμε προς αυτήν την κατεύθυνση, όπου εμπρός σημαίνει προς το κέντρο της μαύρης τρύπας. Πραγματικά δεν υπάρχει τρόπος επιστροφής! Ούτε ο πιο ισχυρός πύραυλος που θα μπορούσαμε να φανταστούμε δεν μπορεί να μας εμποδίσει να φτάσουμε τελικά στο κέντρο της μαύρης τρύπας, όπου οι βαρυτικές δυνάμεις γίνονται αμέτρητα ισχυρές και το αργότερο εκεί τα κβαντικά χαρακτηριστικά των μαύρων οπών και η ίδια η βαρύτητα πρέπει να δείξουν το πρόσωπό τους. /P>
Ωστόσο, άλλες κβαντικές πτυχές των μαύρων τρυπών θα είναι ορατές πολύ νωρίτερα. Μερικά από αυτά θα συζητηθούν στη συνέχεια.
Επικοινωνήστε με τον κβαντικό κόσμο και την επεξεργασία πληροφοριών
Έχουμε δει στο παρελθόν ότι η λύση του Schwarzschild εξαρτάται μόνο από τη μάζα του αντικειμένου. Τι συμβαίνει όμως με όλες τις πληροφορίες για το αντικείμενο που κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα; Αποτελούνταν από πολλά διαφορετικά σωματίδια, είχε θερμοκρασία, κατανομή ύλης, συγκεκριμένο φάσμα ακτινοβολίας και ούτω καθεξής. Αν πιστεύουμε μόνο στον κλασικό κόσμο, τότε όλες αυτές οι πληροφορίες κρύβονται πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων μετά το σχηματισμό της μαύρης τρύπας. Τότε δεν είναι σε καμία περίπτωση έλκιμο για κανέναν έξω από τη μαύρη τρύπα. Σε έναν κλασικό κόσμο αυτό δεν είναι μεγάλο πρόβλημα. Είναι πολύ λυπηρό ότι κανείς έξω από τη μαύρη τρύπα δεν μπορεί να πάρει τις πληροφορίες, αλλά δεν προκαλεί προβλήματα σχετικά με τη συνέπεια της θεωρίας.
Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι ο κόσμος μας στην πραγματικότητα δεν είναι κλασικός και οι γνώσεις μας σχετικά με τις κβαντικές θεωρίες που περιγράφουν τουλάχιστον τη συνηθισμένη ύλη στο σύμπαν μας είναι μάλλον αξιοπρεπείς. Χρησιμοποιώντας αυτή τη γνώση, ο Hawking θα μπορούσε να δείξει ότι τα κβαντικά φαινόμενα κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας οδηγούν σε μια σταθερή ροή σωματιδίων μακριά από αυτήν. Μια μαύρη τρύπα ακτινοβολεί και, ως εκ τούτου, πρέπει να χαλαρώσει τη μάζα με την πάροδο του χρόνου. Αν περιμένουμε αρκετά, μια μαύρη τρύπα εξατμίζεται είτε εντελώς είτε μέχρι να μείνει κάποιο μικροσκοπικό υπόλειμμά της.
Πού είναι όλες οι πληροφορίες μετά την εξάτμιση; Τώρα που συμπεριλαμβάνουμε κάποια κβαντικότητα στην περιγραφή των μαύρων οπών, αυτό το ερώτημα γίνεται πολύ σημαντικό. Η αλόγιστη επεξεργασία των κβαντικών πληροφοριών μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε ασυνέπειες. Για παράδειγμα, οι πληροφορίες πρέπει να διαδοθούν πολύ γρήγορα μέσα στη μαύρη τρύπα. Διαφορετικά θα ήταν δυνατή η αντιγραφή κβαντικών καταστάσεων, κάτι που απαγορεύεται αυστηρά σε οποιαδήποτε συνεπή κβαντική θεωρία. Για να είμαστε ειλικρινείς, δεν υπάρχει πραγματική συναίνεση μεταξύ της κοινότητας της φυσικής για το πώς η μαύρη τρύπα αντιμετωπίζει τις κβαντικές πληροφορίες. Μια πιθανότητα θα μπορούσε να είναι ότι κρύβεται στην ακτινοβολία Hawking. Αν περιμένουμε αρκετό καιρό και συλλέξουμε επαρκή ποσότητα, ίσως μπορέσουμε να ανακτήσουμε όλες τις πληροφορίες που θέλουμε. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά περισσότερα gedankeπειράματα σχετικά με παρόμοια θέματα. Η εύρεση μιας πειστικής και συνεπούς περιγραφής των μαύρων οπών σε επαφή με τον κβαντικό κόσμο θα είναι πιθανώς ένα σημαντικό βήμα προς μια κβαντική περιγραφή της ίδιας της βαρύτητας. Αυτό μπορεί να είναι ένα από τα επόμενα μεγάλα βήματα στη θεωρητική φυσική!
Επιτέλους, ας προσπαθήσουμε να αποκτήσουμε κάποια διαίσθηση για το πόσο σημαντικά είναι τα κβαντικά αποτελέσματα μιας μαύρης τρύπας. Αν εξετάσουμε πρώτα μια συνηθισμένη αστρική μαύρη τρύπα, ας πούμε, τέσσερις φορές τη μάζα του ήλιου μας, τότε η ακτινοβολία Hawking της μπορεί να συσχετιστεί με μια θερμοκρασία μόλις περίπου εκατό εκατομμυριοστό Κέλβιν* πάνω από τη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν. Ως εκ τούτου, δεν παίζει σχεδόν κανένα ρόλο στην περιγραφή της καθημερινής φυσικής αυτής της μαύρης τρύπας. Αυτό ισχύει για κάθε αστρική (ή ακόμα πιο βαριά) μαύρη τρύπα. Στη συνέχεια, ας εξετάσουμε ένα νόμισμα, ας πούμε, πέντε γραμμαρίων. Τα κβαντικά αποτελέσματα αυτού του νομίσματος δεν παίζουν κανένα σημαντικό ρόλο στην καθημερινή του φυσική. Μπορεί να περιγραφεί σχεδόν τέλεια από τις κλασικές θεωρίες. Ωστόσο, αν σκεφτούμε μια μαύρη τρύπα της ίδιας μάζας, τα πράγματα φαίνονται μάλλον διαφορετικά. Ως (μερικώς) κβαντικό αντικείμενο ακτινοβολεί και εξατμίζεται μέσα σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου. Όλη η μάζα του μετατρέπεται σε ενέργεια, με αποτέλεσμα μια έκρηξη τρεις φορές ισχυρότερη από τη βόμβα που έπεσε στη Χιροσίμα. Βλέπουμε ότι για τις μαύρες τρύπες τα κβαντικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο πολύ νωρίτερα από ότι για την ύλη υπό συνηθισμένες συνθήκες.
Ο Enrico Brehm είναι μεταδιδακτορικός στο Ινστιτούτο Άλμπερτ Αϊνστάιν στο Πότσνταμ. Έκανε το προπτυχιακό του στη Στουτγάρδη και τη Χαϊδελβέργη, μετά την οποία εντάχθηκε στην ομάδα θεωρίας χορδών στο LMU στο Μόναχο ως Ph.D. φοιτητής που σπουδάζει κάτω από την Ilka Brunner.
Αυτό το δοκίμιο κατέλαβε την πέμπτη θέση στον διαγωνισμό δοκιμίου του Ινστιτούτου Μαύρης Τρύπας.
* Το Kelvin είναι το τυπικό μέτρο θερμοκρασίας στη φυσική. Μια αλλαγή κατά ένα Kelvin στη θερμοκρασία είναι ίδια με τη μεταβολή ενός βαθμού Κελσίου.
Αναφορές
1. Einstein, A. Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie. Annalen der Physik 354 769-822 (1916).
2. Hawking, S.W. Δημιουργία σωματιδίων από μαύρες τρύπες. Επικοινωνίες στη Μαθηματική Φυσική 43 , 199-220 (1975).
3. Oppenheimer, J.R. &Volko, G.M. Σε τεράστιους πυρήνες νετρονίων. Φυσική ανασκόπηση 55 374-381 (1939).
4. Schwarzschild, K. Για το βαρυτικό πεδίο ενός σημείου μάζας σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν. Αμπχ. Konigl. Preuss. Ακαδ. Wissenschaften 189-196 (1916).
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο τεύχος "Πλαίσιο" τον Ιανουάριο του 2019.
