Σε αναζήτηση γυμνής βαρυτικής ιδιομορφίας

Προσομοίωση μιας υπερβαρέας μαύρης τρύπας

Βαρυτική ιδιαιτερότητα ή ιδιομορφία ονομάζεται η στενή περιοχή του χωροχρόνου όπου εκεί το βαρυτικό πεδίο ενός αντικειμένου γίνεται άπειρο, οπότε οι νόμοι του φυσιολογικού χωροχρόνου δεν μπορούν να ισχύουν εκεί. Η υπόθεση τώρα της «κοσμικής λογοκρισίας» λέει ότι δεν θα έπρεπε να υπάρχει η ιδιαιτερότητα χωρίς ορίζοντα γεγονότων και έξω από τις μαύρες τρύπες,, αλλά είναι πιθανό ότι τις έχουμε ήδη εντοπίσει και παρερμηνεύσαμε τη φύση τους;

Οι μαύρες τρύπες κρύβονται πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων  και γι αυτό ό, τι συμβαίνει μέσα στον ορίζοντα,  μένει αόρατο μέσα στον ορίζοντα. Δεν έχουμε διαρροές πληροφοριών.

Ένας ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα της απόκρυψης της αμήχανης θεωρίας που την προβλέπει. Η ύλη που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα καταλήγει σε μια ιδιομορφία (Singularity) όπου  η καμπυλότητα του χωροχρόνου διαφοροποιείται  και οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν καταρρέουν. Ευτυχώς, η αδυναμία μας να προσδιορίσουμε το πού βρίσκεται η ύλη που πέφτει μέσα της, καθώς η πυκνότητά της αποκλίνει κοντά σε αυτήν την ιδιομορφία δεν επηρεάζει τον εξωτερικό κόσμο, ο οποίος παραμένει προστατευμένος από τον ορίζοντα γεγονότων.

Αλλά μπορούν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν να δημιουργήσουν « γυμνές ιδιομορφίες », που να μην κρύβονται πίσω από έναν ορίζοντα γεγονότων; Εάν αυτές οι περιοχές του χωροχρόνου μας επηρεάζουν, δεν θα είμαστε σε θέση να προβλέψουμε το μέλλον μας χρησιμοποιώντας τη γενική σχετικότητα.

Για να αποφευχθεί μια τέτοια κρίση, ο φυσικός Roger Penrose υποστήριξε το 1969 την υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας , η οποία υποθέτει ότι ενδέχεται να υπάρχουν περιορισμοί που απαγορεύουν τις γυμνές ιδιομορφίες στη φύση. Εάν ισχύει, η γενική σχετικότητα έχει έναν τρόπο διατήρησης του ντετερμινισμού περιορίζοντας την επιρροή των περιοχών των οποίων η μελλοντική συμπεριφορά δεν μπορεί να προβλεφθεί.

Υπάρχει όμως ανάγκη για κοσμική λογοκρισία; Γνωρίζουμε ότι οι εξισώσεις γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι ελλιπείς επειδή λείπει ένα κρίσιμο στοιχείο της σύγχρονης φυσικής, δηλαδή η κβαντική μηχανική. Μια ολοκληρωμένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, την οποία δεν έχουμε επί του παρόντος, μπορεί να θεραπεύσει τις ανωμαλίες στις ιδιαιτερότητες και να επιτρέψει στον συνηθισμένο ντετερμινισμό να εκδηλωθεί σε ολόκληρο τον χωροχρόνο. Σε αυτήν τη θεωρία, δεν θα ήταν απαραίτητο να λογοκρίνουμε οποιαδήποτε περιοχή μέσω περιορισμών που υπερβαίνουν τις θεμελιώδεις φυσικές αρχές.

Στην πραγματικότητα, έχουμε ήδη μια ισχυρή υπόδειξη ότι αυτό μπορεί να ισχύει. Το 1974, ο Stephen Hawking έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν. Αναδρομικά, το αποτέλεσμα είναι προφανές. Δεν υπάρχει τρόπος περιορισμού των σωματιδίων του φωτός σε ένα κελί  που να είναι μικρότερο από το μήκος κύματος τους, καθώς η θέση τους δεν μπορεί να εντοπιστεί με αυτήν την ακρίβεια. Με αποτέλεσμα οι διακυμάνσεις του κενού κοντά σε μια μαύρη τρύπα να παράγουν φωτόνια που διαρρέουν προς τα έξω, επειδή το μήκος κύματος τους είναι μεγαλύτερο από την κλίμακα του ορίζοντα. Αυτή η λεγόμενη « ακτινοβολία Hawking » ενεργοποιείται από τη βαρυτική ενέργεια δέσμευσης των εικονικών σωματιδίων που καταλήγουν μέσα στη μαύρη τρύπα.

Οι εξατμιζόμενες μαύρες τρύπες με αυτό τον τρόπο είναι γυμνές ιδιαιτερότητες, καθώς δεν κρύβονται πλήρως από τον ορίζοντα των γεγονότων τους. Δυστυχώς, η ακτινοβολία είναι πολύ αδύναμη για να ανιχνευθεί στις αστροφυσικές μαύρες τρύπες με μάζα πάνω από τρεις ήλιους και με μέγεθος του ορίζοντα μεγαλύτερο από το μήκος του Μανχάταν. Οι μαύρες τρύπες μικρής μάζας, οι οποίες μπορεί να έχουν παραχθεί στο πρώιμο σύμπαν, έχουν έναν ορίζοντα μικρότερο από το μέγεθος ενός πρωτονίου και θα μπορούσαν να έχουν εκραγεί από τότε. Αν και δεν έχουμε εντοπίσει μέχρι τώρα εξάτμιση μαύρων τρυπών, προβλέπονται από την απλή ημικλασική διατύπωση της κβαντικής βαρύτητας.

Εικόνα που δείχνει ότι η ύλη πέφτει μέσα στην μαύρη τρύπα σαν το νερό ενός καταρράκτη

Παρά αυτό το πολύ γνωστό παράδειγμα, οι μαθηματικοί και οι φιλόσοφοι εξακολουθούν να υποστηρίζουν εάν η κοσμική λογοκρισία θα πρέπει να περιορίσει το εύρος των «λογικών» χωροχρόνων στη γενική σχετικότητα. Παράλληλα, χρησιμοποιούνται υπολογιστές για την επίλυση των εξισώσεων του Αϊνστάιν και την αναζήτηση παθολογικών γυμνών ιδιομορφιών κάτω από ακραίες συνθήκες.

Σε ένα πρόσφατο συνέδριο στο Harvard ένας φιλόσοφος καθόρισε την κοσμική λογοκρισία ως ένα από τα πιο διεγερτικά ερωτήματα στις τρέχουσες μελέτες της γενικής σχετικότητας. Όταν τελείωσε τη διάλεξη, είχα μόνο μία ερώτηση: «Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις μαθηματικές και φιλοσοφικές σκέψεις, οι αστρονόμοι μπορούσαν να αναζητήσουν γυμνές ιδιομορφίες στον ουρανό. Αν τις βρούμε, θα υπήρχε ανάγκη λογοκρισίας; »

Αντί να βρούμε λόγους για να αποφύγουμε τις γυμνές ιδιαιτερότητες, θα πρέπει να εκτιμήσουμε την ευκαιρία να τις βρούμε ως μια πορεία για την εξερεύνηση της νέας φυσικής. Φυσικά, το κρίσιμο άγνωστο από την άποψη αυτή είναι: «Πώς μοιάζουν οι γυμνές ιδιομορφίες;» Λόγω της ακραίας καμπυλότητας του χωροχρόνου στην περιοχή τους, οι γυμνές ιδιομορφίες μπορεί να παράγουν σωματίδια υψηλής ενέργειας σε μια ισχυρή φωτοβολίδα ενέργειας. Παρατηρούμε τέτοιες βολίδες στον ουρανό; Είναι πιθανό ότι έχουμε ήδη εντοπίσει γυμνές ιδιομορφίες αλλά να παρερμηνεύσαμε τη φύση τους;

Μία οικογένεια τεκμηριωμένων τέτοιων φωτοβολίδων υψηλής ενέργειας είναι εκρήξεις ακτίνων γάμμα . Αυτές οι αστροφυσικές εκρήξεις σχετίζονται συνήθως με τη γέννηση των μαύρων τρυπών ή τη σύγκρουση των αστεριών νετρονίων, αλλά όχι με τις γυμνές ιδιομορφίες. Παρατηρούμε επίσης γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις των οποίων η φύση είναι άγνωστη μέχρι τώρα.

Πρέπει να κρατήσουμε τα μάτια μας ανοιχτά. Εάν ανιχνευθούν από τα τηλεσκόπια μας, οι γυμνές ιδιομορφίες θα ήταν τα καλύτερα εργαστήρια για τη δοκιμή των θεωριών της κβαντικής βαρύτητας, όπως η θεωρία χορδών . Το πρόβλημα είναι ότι οι υποψήφιες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας δεν προβλέπουν πώς θα μοιάζουν τέτοιες πηγές. Και δεν έχουν «κάλυμμα». Ως εκ τούτου, οι παρατηρητές θα πρέπει να ηγηθούν του δρόμου, μεταξύ άλλων μέσω του προκλητικού κυνηγιού των βαρυτικών κυμάτων από την αρχέγονη ιδιομορφία του big bang.

Μια εργασία του 2017, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters  συνδέει απροσδόκητα την κοσμική λογοκρισία με την υπόθεση της ασθενούς βαρύτητας του 2006, που ισχυρίζεται ότι η βαρύτητα πρέπει πάντα να είναι η πιο αδύναμη δύναμη σε οποιοδήποτε βιώσιμο σύμπαν, όπως είναι στο δικό μας. (Η βαρύτητα είναι μακράν η πιο ασθενής από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Δύο ηλεκτρόνια απωθούνται ηλεκτρικά το ένα το άλλο 1 εκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές πιο δυνατά από ότι έλκουν βαρυτικά το ένα ηλεκτρόνιο το άλλο.) Οι θεωρητικοί φυσικοί μπόρεσαν να προσομοιώσουν το σχηματισμό μιας γυμνής ιδιομορφίας στο τετραδιάστατο σύμπαν με διαφορετική γεωμετρία χωροχρόνου από τη δική μας. Αλλά διαπίστωσαν ότι εάν υπάρχει μια άλλη δύναμη σε αυτό το σύμπαν που επηρεάζει τα σωματίδια πιο έντονα από τη βαρύτητα, η ιδιομορφία μεταμφιέζεται σε μια μαύρη τρύπα. Με άλλα λόγια, όπου διαφορετικά θα δημιουργούσε ένα ανώμαλο τρύπημα στον ιστό του χωροχρόνου, γυμνό για να το δει όλος ο κόσμος, η σχετική αδυναμία της βαρύτητας το αποτρέπει.

Avi Loeb    Πηγή