Bene labiausiai stebinantis pastarojo dešimtmečio mokslinis atradimas yra tai, kad visatoje gausu juodųjų skylių.

Šios skylės buvo pastebėtos skirtingo ir stebinančio dydžio: kai kurių masė yra šiek tiek didesnė už Saulės masę, o kitų – milijardus kartų didesnė. Jie taip pat buvo stebimi įvairiais būdais: per radijo spinduliuotę iš medžiagos, krentančios skylės link; Ir per savo įtaką aplink jį besisukančioms žvaigždėms; Per jų susijungimo metu skleidžiamas gravitacines bangas; Ir per itin keistą šviesos iškraipymą, kurį tai sukelia (prisiminkime Einšteino žiedą, pasirodžiusį Šaulio A* atvaizduose – supermasyvios juodosios skylės Paukščių Tako centre, kuri neseniai puikavosi pirmuosiuose tarptautinių laikraščių puslapiuose).

Erdvė, kurioje gyvename, nėra lygi, o pilna skylių danguje, tarsi koštuvas. Einšteino bendrosios reliatyvumo teorija gerai numatė ir apibūdino visų juodųjų skylių fizines savybes.

Viskas, ką žinome apie šiuos keistus objektus, iki šiol visiškai atitinka Einšteino teoriją. Tačiau yra du pagrindiniai klausimai, į kuriuos Einšteino teorija neatsako.

Pirmas klausimas: kur dingsta materija, kai ji patenka į juodąją skylę? Antras klausimas: kaip baigiasi juodosios skylės? Įtikinami teoriniai argumentai, kuriuos pirmą kartą suprato Stephenas Hawkingas prieš kelis dešimtmečius, leidžia manyti, kad tolimoje ateityje, po gyvybės, kuri priklauso nuo jos dydžio, juodoji skylė susitrauks (arba, kaip sako fizikai, „išgaruos“), skleisdama karštą spinduliuotę. dabar žinomas kaip radiacija.

Dėl to skylė tampa vis mažesnė ir mažesnė, kol ji tampa labai maža. Bet kas bus po to? Priežastis, kodėl į šiuos du klausimus dar neatsakyta, o Einšteino teorija nepateikia atsakymo, yra ta, kad jie abu apima kvantinius erdvėlaikio aspektus.

Tai reiškia, kad abu yra susiję su kvantine gravitacija, bet mes dar neturime tvirtos kvantinės gravitacijos teorijos.

Pabandyk atsakyti

Tačiau yra vilties, nes turime preliminarių teorijų. Šios teorijos dar neįrodytos, nes jos dar nepatvirtintos eksperimentais ar stebėjimais.

Tačiau jie yra pakankamai pažengę, kad pateiktų preliminarius atsakymus į šiuos du svarbius klausimus. Todėl galime pasinaudoti šiomis teorijomis, kad galėtume pagrįstai spėti, kas vyksta.

Neapibrėžtas

Bene detaliausia ir pažangiausia kvantinio erdvėlaikio teorija yra kilpinė kvantinė gravitacija arba LQG – eksperimentinė kvantinės gravitacijos teorija, kuri nuolat vystosi nuo devintojo dešimtmečio pabaigos.

Šios teorijos dėka pasirodė įdomus atsakymas į šiuos klausimus. Šis atsakymas parodytas toliau pateiktame scenarijuje. Juodosios skylės vidus vystosi tol, kol pasiekia stadiją, kai pradeda dominuoti kvantiniai efektai.

Taip sukuriama stipri atstumianti jėga, kuri atspindi griūvančios juodosios skylės vidaus dinamiką, todėl ji „atšoka“. Po šios kvantinės fazės, aprašytos kvantinės gravitacijos teorijoje, erdvėlaikis skylės viduje vėl paklūsta Einšteino teorijai, išskyrus tai, kad juodoji skylė dabar plečiasi, o ne traukiasi.

Juodosios skylės plėtimosi galimybę iš tikrųjų numatė Einšteino teorija, taip pat kaip ir juodosios skylės. Tai jau dešimtmečius žinoma galimybė; Šis atitinkamas erdvės laiko regionas netgi turi pavadinimą: „baltoji skylė“.

Skaityti daugiau:

Ta pati mintis, bet atvirkščiai

Pavadinimas atspindi idėją, kad baltoji skylė tam tikra prasme yra priešinga juodajai skylei. Galime galvoti apie tai taip pat, kaip aukštyn atšokantis rutulys eina aukštyn keliu, kuris yra priešingas keliui žemyn, kuriuo jis nukrito.

Baltoji skylė yra erdvės ir laiko struktūra, panaši į juodąją skylę, bet su laiku atvirkščiai. Juodosios skylės viduje daiktai krenta; Tačiau baltosios skylės viduje viskas juda į išorę. Niekas negali išeiti iš juodosios skylės; Taip pat niekas negali patekti į baltą skylę.

Žvelgiant iš išorės, nutinka taip, kad garavimo proceso pabaigoje juodoji skylė, kuri dabar yra maža, nes išgaravo didžiąją savo masės dalį, virsta maža balta skylute. LQG nurodo, kad tokios struktūros tampa beveik stabilios dėl kvantinių efektų ir todėl gali išgyventi ilgą laiką.

Baltosios skylės kartais vadinamos „likučiais“, nes jos lieka po juodosios skylės išgaravimo. Perėjimą iš juodosios skylės į baltąją skylę galima laikyti „kvantiniu šuoliu“. Tai panašu į danų fiziko Nielso Bohro kvantinių šuolių koncepciją, kai keičiant savo energiją elektronai šokinėja iš vienos atominės orbitos į kitą.

Dėl kvantinių šuolių atomai išskiria fotonus, dėl kurių skleidžiama šviesa, leidžianti pamatyti dalykus. Tačiau kvantinės gravitacijos teorija numato šių mažyčių likučių dydį. Taigi išskirtinis fizikos rezultatas: geometrijos kvantavimas. Visų pirma, kvantinės gravitacijos teorija numato, kad bet kurio paviršiaus plotas gali turėti tik tam tikras atskiras reikšmes.

Baltosios skylės likučio horizonto plotas turi būti nustatomas pagal mažiausią neišnykstančią reikšmę. Tai atitinka baltą skylę, kurios masė yra mikrogramo dalis: maždaug žmogaus plauko svoris.

Šis scenarijus atsako į du anksčiau užduotus klausimus. Garavimo proceso pabaigoje kvantinė juodoji skylė peršoka į mažą, ilgai gyvuojančią baltąją skylę. Medžiaga, kuri patenka į juodąją skylę, vėliau gali išeiti iš šios baltosios skylės.

Didžiąją materijos energijos dalį jau išskirs Hawkingo spinduliuotė – mažos energijos spinduliuotė, kurią juodoji skylė skleidžia dėl kvantinių efektų, dėl kurių ji išgaruoja. Iš baltosios skylės išeina ne į ją įkritusios materijos energija, o veikiau likusi mažos energijos spinduliuotė, kuri vis dėlto neša visą likusią informaciją apie į ją patekusią materiją.

Viena intriguojanti galimybė, kurią atveria šis scenarijus, yra ta, kad paslaptinga tamsioji medžiaga, kurios pėdsakus astronomai mato danguje, iš tikrųjų galėjo susiformuoti iš mažyčių baltųjų skylių, kurias sukuria senovinės, išgaruojančios juodosios skylės. Šios skylės galėjo atsirasti ankstyvosiose visatos stadijose, galbūt prieš Didįjį sprogimą, kurį, atrodo, numato ir kvantinės gravitacijos teorija.

Tai patrauklus galimas tamsiosios materijos prigimties paslapties sprendimas, nes jis suteikia tamsiosios materijos supratimą, pagrįstą vien bendruoju reliatyvumu ir kvantine mechanika – dviem nusistovėjusiais gamtos aspektais. Tai taip pat neprideda atsitiktinių lauko dalelių ar naujų dinaminių lygčių, kaip tai daro dauguma alternatyvių eksperimentinių hipotezių apie tamsiąją medžiagą.

Tolesni žingsniai

Taigi, ar galime aptikti baltas skyles? Tiesiogiai stebėti baltas skyles bus sunku, nes šie maži objektai beveik unikaliai sąveikauja su erdve ir juos supančia medžiaga per gravitaciją, kuri yra labai silpna.

Nelengva aptikti plauką naudojant vien jo gravitaciją. Tačiau galbūt tai nebebus neįmanoma, nes technologijos tobulėja. Jau buvo pasiūlytos idėjos, kaip tai padaryti naudojant kvantine technologija paremtus detektorius.

Jei tamsioji medžiaga sudaryta iš baltųjų skylių likučių, paprastas įvertinimas rodo, kad keli tokie objektai kasdien gali skristi per didelio kambario dydžio plotą. Kol kas turime išstudijuoti šį scenarijų ir kaip jis dera su tuo, ką žinome apie visatą, kol laukiame technologijų, padėsiančių tiesiogiai aptikti šiuos objektus.

Tačiau stebėtina, kad į šį scenarijų anksčiau nebuvo atsižvelgta. Priežastis gali būti siejama su daugelio teoretikų, turinčių stygų teorijos pagrindą, hipoteze: stipria vadinamosios „holografinės“ hipotezės versija.

Remiantis šia hipoteze, mažos juodosios skylės viduje esanti informacija būtinai yra maža, o tai prieštarauja aukščiau pateiktai idėjai. Hipotezė grindžiama amžinųjų juodųjų skylių idėja: techniškai idėja, kad juodosios skylės horizontas būtinai yra „įvykių“ horizontas („įvykio“ horizontas pagal apibrėžimą yra amžinasis horizontas). Jei horizontas yra amžinas, tai, kas vyksta viduje, iš tikrųjų prarandama amžiams, o juodoji skylė unikaliai skiriasi nuo to, ką galima pamatyti iš išorės.

Tačiau kvantinės gravitacijos reiškiniai suardo horizontą, kai jis tampa mažas ir neleidžia jam būti amžinam. Todėl juodosios skylės horizontas negali būti „įvykių“ horizontas. Jame esanti informacija gali būti didelė, net kai horizontas mažas, ir ją galima atkurti pasibaigus juodosios skylės stadijai, baltosios skylės stadijos metu.

Įdomu tai, kad kai juodosios skylės buvo tiriamos teoriškai ir jų kvantinės savybės buvo ignoruojamos, amžinasis horizontas buvo vertinamas kaip jų savybė. Dabar, kai juodąsias skyles suprantame kaip tikrus dangaus objektus ir tyrinėjame jų kvantines savybes, suprantame, kad idėja, kad jų horizontai turėtų būti amžini, buvo tiesiog idealas.

Realybė yra labiau niuansuota. Galbūt nieko nėra amžino, net juodosios skylės horizontas.

Skaityti daugiau: