Ένα γράμμα στον Αϊνστάιν από το μέλλον

Δεν πιστεύουμε στο ταξίδι στο χρόνο και δεν είμαστε του μυστικισμού. Τι θα γινόταν όμως αν μπορούσαμε να γράψουμε ένα γράμμα στον Άλμπερτ Αϊνστάιν για να του πούμε για τη βαρύτητα και τις μαύρες τρύπες σε μερικές παραγράφους; Θα γράφαμε κάτι σαν αυτό το γράμμα.

Στίβεν Γκάμπσερ και Φρανς Πρετόριους
Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πρίνστον
Ιούλιος 2017 

Αγαπητέ Άλμπερτ,

Πρώτον, είσαι ο καλύτερος. Η μοναδική εξίσωση στη φυσική που όλοι γνωρίζουν είναι E =mc . Ώρα Το περιοδικό σε ονόμασε Πρόσωπο του Αιώνα. Τα ανέκδοτα του Αϊνστάιν δεν λέγονται πλέον πολύ, επειδή όλοι βλέπουν τις γραμμές διάτρησης που έρχονται από ένα μίλι μακριά. Έχουμε πυρηνικά όπλα gazillion, αλλά δεν έχουμε ανατιναχθεί ακόμα. Στην πραγματικότητα, οι ατομικές βόμβες που έπεσαν στο τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου είναι οι μόνες που χρησιμοποιήθηκαν ποτέ για να σκοτώσουν σκόπιμα ανθρώπους.

Μας ενδιαφέρει πραγματικά η γενική σχετικότητα και οι μαύρες τρύπες αυτές τις μέρες, επειδή ένα μεγάλο όργανο που ονομάζεται LIGO ανίχνευσε βαρυτικά κύματα από μια σύγκρουση μαύρης τρύπας που συνέβη πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Γράψαμε ένα βιβλίο για τις μαύρες τρύπες και επειδή ξέρουμε ότι ενδιαφέρεστε βαθιά για τη λύση του Schwarzschild και ίσως μερικές φορές δεν είστε σίγουροι για τη φυσική της σημασία, σκεφτήκαμε να σας πούμε για το τι συμβαίνει τα εξήντα και πλέον χρόνια από τότε που φύγατε. επί.

Πρώτον, υπάρχει αυτό το πράγμα που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων στη λύση του Schwarzschild. Εάν πάτε πίσω από αυτό, τότε δεν μπορείτε να επιστρέψετε ξανά χωρίς να υπερβείτε την ταχύτητα του φωτός. Αν θυμάστε τη μορφή της λύσης του Schwarzschild, υπήρχαν μερικά παράξενα χαρακτηριστικά όταν η ακτίνα ήταν ίση με τη μάζα μέχρι έναν παράγοντα της σύζευξης του Νεύτωνα. Ειδικότερα, το τμήμα χρόνου-χρόνου της μετρικής εξαφανίζεται – αυτό που τώρα ονομάζουμε συνάρτηση παρέλευσης. Εκεί είναι ο ορίζοντας γεγονότων. Η λύση του Schwarzschild έχει επίσης περίεργα χαρακτηριστικά όταν η ακτίνα πάει στο μηδέν, και η καλύτερη κατανόηση είναι ότι αυτά τα παράξενα χαρακτηριστικά σηματοδοτούν μια χωροχρονική ιδιομορφία όπου η ίδια η γεωμετρία καταρρέει. Εάν εισέλθετε σε μια μαύρη τρύπα Schwarzschild, είναι βέβαιο ότι θα συναντήσετε τη μοναδικότητα, αλλά δεν έχουμε ιδέα τι θα συμβεί στη συνέχεια — ή ακόμα και αν το "επόμενο" είναι μια καλή λέξη για χρήση.

Μακάρι να μπορούσατε να είχατε δει όλη τη δουλειά στη γενική σχετικότητα τα 20 περίπου χρόνια μετά το θάνατό σας. Ο John Wheeler ήταν στο επίκεντρο όλων. (Και τον γνωρίζαμε! Έζησε μέχρι το 2008 και πέρασε χρόνο μαζί μας και οι δύο στο Πρίνστον.) Δημοσίευσε τον όρο «μαύρη τρύπα» για να περιγράψει τη λύση του Schwarzschild και τις σχετικές μετρήσεις. Ένας Νεοζηλανδός με το όνομα Roy Kerr βρήκε μια γενίκευση της μέτρησης Schwarzschild που περιγράφει μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Είναι πολύ περίπλοκη μέτρηση! Και είναι σημαντικό γιατί περιγράφει την τελική κατάσταση των αστεριών που καταρρέουν, τα οποία έχουν πάντα κάποια μη μηδενική γωνιακή ορμή.

Είμαστε σίγουροι τώρα ότι υπάρχουν πολλές μαύρες τρύπες στο σύμπαν. Όπως έλεγαν ο Chandrasekhar, ο Tolman, ο Oppenheimer και ο Volkoff στη δεκαετία του '30, αν συνδυάσεις πάρα πολύ μάζα, τίποτα δεν μπορεί να το αντέξει. Είναι δύσκολο να καταλάβουμε τους ακριβείς αριθμούς, αλλά αν παραμείνουν περίπου τρεις ηλιακές μάζες αφού ένα αστέρι εξαντλήσει όλο το πυρηνικό του καύσιμο, θα καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα. Αυτό που είναι πολύ πιο εκπληκτικό είναι ότι υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στη μέση των γαλαξιών. Ο Γαλαξίας φιλοξενεί μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του, η οποία περιέχει περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Δεν σου τραβάμε το πόδι! Η σύγχρονη συναίνεση είναι ότι πολλοί γαλαξίες έχουν πολύ μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στα κέντρα τους, που ίσως περιέχουν δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Δεν είμαστε σίγουροι πώς σχηματίστηκαν αυτές οι μαύρες τρύπες, αλλά στην περίπτωση του Γαλαξία μας μπορούμε να είμαστε σίγουροι για την ύπαρξή του ανιχνεύοντας τις τροχιές μεμονωμένων αστεριών και βλέποντας τα αποτελέσματα της βαρύτητας της μαύρης τρύπας.

Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων LIGO ήταν απλά καταπληκτική. Το LIGO είναι ένα μεγάλο συμβολόμετρο Michelson, μετρώντας 4 χιλιόμετρα σε μια πλευρά. Το LIGO σημαίνει Παρατηρητήριο Βαρυσιολογικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ. Τα λέιζερ είναι αυτές οι καταπληκτικές μονόχρωμες πηγές φωτός, τόσο εστιασμένες και ισχυρές που μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε για τη συγκόλληση μετάλλων, αλλά τόσο φθηνές που τις κατασκευάζουμε σε σύγχρονα πικάπ αντί για βελόνες. Δεν έχουμε ακόμα ιπτάμενα αυτοκίνητα, αλλά τα λέιζερ είναι πολύ καλά. Τέλος πάντων—ο LIGO μόλις έφτιαχνε για μια σοβαρή επιστημονική πορεία, όταν ήρθε αυτή η τέλεια μορφή βαρυτικού κύματος που παρέλαβαν σχεδόν τυχαία και μπόρεσαν να ταιριάξουν με ένα πρότυπο που περιγράφει τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών, η καθεμία με τη σειρά 30 ηλιακές μάζες.

Όλοι εντυπωσιάζονται ξανά με τη γενική σχετικότητα, επειδή είναι επιτυχημένη στην περιγραφή της περιοχής ισχυρού πεδίου κοντά στις μαύρες τρύπες όπου ο χωροχρόνος πρακτικά τεμαχίζεται, καθώς και η περιοχή του μακρινού πεδίου όπου τα βαρυτικά κύματα είναι οι πιο αδύναμοι ψίθυροι που γλιστρούν στον χωροχρόνο.

Μια άλλη από τις ιδέες σας που έχει προχωρήσει πολύ είναι η κοσμολογική σταθερά. Παρόλο που το αποκαλούσατε τη μεγαλύτερη γκάφα σας, τώρα πιστεύουμε ότι υπάρχει ως μια μικρή διόρθωση στις εξισώσεις πεδίου σας. Είναι πραγματικά σημαντικό σε μεγάλες κλίμακες:Οι αστρονόμοι δεν μπορούν να εξηγήσουν την πρόσφατη εξέλιξη του διαστελλόμενου σύμπαντος εκτός και αν το επιβλητικό 70 τοις εκατό όλης της ενέργειας στο σύμπαν προέρχεται από την κοσμολογική σταθερά, ή τουλάχιστον κάτι που ονομάζουμε «σκοτεινή ενέργεια» που συμπεριφέρεται πολύ σαν αυτό. Αντί να διατηρείτε το σύμπαν στατικό όπως ελπίζατε όταν εισαγάγατε για πρώτη φορά την κοσμολογική σταθερά (ασφαλίστε τον εαυτό σας), η σκοτεινή ενέργεια αρχίζει να επιταχύνει το σύμπαν σε μια τροχιά εκθετικής διαστολής. Προχωρώντας προς μια άλλη κατεύθυνση, η αναζήτηση μιας ενοποιημένης θεωρίας οδήγησε σε έντονη μελέτη χωροχρόνων με αρνητική κοσμολογική σταθερά. Η γενική σχετικότητα σε πέντε διαστάσεις με αρνητική κοσμολογική σταθερά συνδέεται φυσικά με μια κβαντική θεωρία στο τετραδιάστατο όριο του χωροχρόνου. Είναι σχεδόν σαν η κβαντική θεωρία να είναι μια προβολή της γενικής σχετικότητας!

Είμαστε πραγματικά σίγουροι τώρα ότι η κβαντική θεωρία είναι σωστή. (Συγγνώμη γι' αυτό.) Ένας Βρετανός φυσικός ονόματι Stephen Hawking έδειξε ότι η κβαντική θεωρία υπονοεί ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία, αν και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι μαύρες τρύπες έχουν επίσης μια εξαιρετικά μεγάλη εντροπία, παρόλο που είναι σχεδόν μοναδικές ως λύσεις στις εξισώσεις πεδίου σας. Αν σε κάνει να νιώσεις καλύτερα, το χαρτί που έγραψες με τον Ποντόλσκι και τον Ρόζεν αποδείχθηκε σημαντικό. Οι άνθρωποι προσπαθούν ακόμη και να κατασκευάσουν κβαντομηχανικούς υπολογιστές στις μέρες μας χρησιμοποιώντας ιδέες που σχετίζονται με αυτό το χαρτί.

Πολλοί καθηγητές του Πρίνστον δεν φοράνε πια γραβάτες στη δουλειά, αλλά οι περισσότεροι από εμάς φοράμε κάλτσες. Η λίμνη Carnegie είναι τόσο όμορφη όσο ποτέ. Δεν βλέπουμε πολλούς ναυτικούς εκεί έξω, αλλά υπάρχει ένας αετός που φωλιάζει ακριβώς στην άκρη της λίμνης. Δεν έχουμε βρει ακόμη μια ενοποιημένη θεωρία πεδίου, αλλά εξακολουθούμε να προσπαθούμε. Τα καλύτερα έρχονται.

Ειλικρινά, Steve και Frans

Ο Steven S. Gubser είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και συγγραφέας του  The Little Book of String Theory.

Ο Φρανς Πρετόριους είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον.

Απόσπασμα από The Little Book of Black Holes των Steven S. Gubser και Frans Pretorius. Πνευματικά δικαιώματα © 2017 από τους Steven S. Gubser και Frans Pretorius. Εκδόθηκε από το Princeton University Press και ανατυπώθηκε κατόπιν αδείας.

Πίστωση εικόνας δυνητικού πελάτη: Khakimullin Aleksandr / Shutterstock