Ce s-ar putea ascunde la interiorul găurilor negre?

Teoria gravitațională a lui Albert Einstein, relativitatea generală, este celebră printre altele și pentru faptul că este incompletă. După cum a demonstrat Roger Penrose, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică, atunci când materia se prăbușește sub propria atracție gravitațională, rezultatul este o „singularitate” – un punct de densitate sau curbură infinită.

La o singularitate, spațiul, timpul și materia sunt strivite și întinse până la inexistență. Legile fizicii, așa cum le cunoaștem noi, suferă o ruptură completă. Dacă am putea observa singularitățile, teoriile noastre fizice nu ar mai putea fi utilizate pentru a prezice viitorul din trecut. Cu alte cuvinte, știința ar deveni o imposibilitate.

• Telescopul Webb a descoperit o galaxie spirală masivă de la începuturile Universului
• O întâlnire străveche a Soarelui cu alte două stele a schimbat pentru totdeauna Sistemul Solar

Penrose a realizat, de asemenea, că natura ar putea deține un remediu pentru această soartă – găurile negre.

O caracteristică definitorie a unei găuri negre este orizontul evenimentelor, o membrană unidirecțională în spațiu-timp. Obiectele – inclusiv lumina – care traversează orizontul evenimentelor nu mai pot ieși niciodată din cauza atracției gravitaționale incredibil de puternice a găurii negre. În toate descrierile matematice cunoscute ale găurilor negre, singularitățile sunt prezente în centrul acestora.

Penrose a postulat că toate singularitățile colapsului gravitațional sunt „îmbrăcate” de orizonturile evenimentelor găurilor negre – ceea ce înseamnă că nu am putea observa niciodată una. Cu singularitatea în interiorul orizontului evenimentelor, fizica în restul universului este ca de obicei.

Această variabilă a lui Penrose, conform căreia nu există singularități „goale”, se numește cenzură cosmică.

Materia se prăbușește sub propria atracție gravitațională

După o jumătate de secol, ea rămâne nedovedită și una dintre cele mai importante probleme deschise din fizica matematică. În același timp, găsirea de exemple de cazuri în care conjectura nu se susține s-a dovedit la fel de dificilă. Într-o lucrare recentă, publicată în Physical Review Letters, s-a arătat că mecanica cuantică, care guvernează microcosmosul particulelor și atomilor, susține cenzura cosmică.

Găurile negre sunt influențate într-o oarecare măsură de mecanica cuantică, dar o astfel de influență este în mod normal ignorată de fizicieni. Un model în care atât materia, cât și spațiul-timp se supun mecanicii cuantice este adesea considerat descrierea fundamentală a naturii. Acesta ar putea fi o „teorie a tuturor lucrurilor” sau o teorie a „gravitației cuantice”.

Cu toate acestea, astfel de ipoteze pot fi încălcate prin mecanica cuantică – știm că energia negativă poate exista în domeniul cuantic în cantități mici (denumit efectul Casimir).

Fără o teorie cu drepturi depline a gravitației cuantice, este dificil să abordăm aceste întrebări. Dar se pot face progrese prin luarea în considerare a gravitației „semiclasice” sau „parțial cuantice”, în care spațiul-timp se supune relativității generale, dar materia este descrisă cu ajutorul mecanicii cuantice. Până în prezent, nu există o formulare stabilită a cenzurii cosmice cuantice, deși există câteva indicii.

Primul astfel de exemplu a fost prezentat de fizicienii Roberto Emparan, Alessandro Fabbri și Nemanja Kaloper în 2002. Acum, toate construcțiile cunoscute de găuri negre cuantice prezintă această caracteristică, ceea ce sugerează că există o formulare mai riguroasă a cenzurii cosmice cuantice, scrie ScienceAlert.

Spațiul, timpul și materia sunt strivite

Intim legată de cenzura cosmică este inegalitatea Penrose. Aceasta este o relație matematică care, presupunând cenzura cosmică, spune că masa sau energia spațiu-timpului este legată de suprafața orizonturilor găurilor negre conținute în acesta. În consecință, o încălcare a inegalității Penrose ar sugera cu tărie o încălcare a cenzurii cosmice.

Prin urmare, o inegalitate Penrose cuantică ar putea fi utilizată pentru formularea riguroasă a cenzurii cosmice cuantice. O echipă de cercetători a propus o astfel de inegalitate în 2019. Deși promițătoare, propunerea lor este foarte dificil de testat pentru găurile negre cuantice în regimurile în care efectele cuantice sunt puternice.

În lucrare, s-a descoperit o inegalitate Penrose cuantică care se aplică tuturor exemplelor cunoscute de găuri negre cuantice, chiar și în prezența efectelor cuantice puternice.

Inegalitatea cuantică Penrose limitează energia spațiu-timpului în funcție de entropia totală – o măsură statistică a dezordinii unui sistem – a găurilor negre și a materiei cuantice conținute în acesta. Acest adaos garantează că inegalitatea cuantică este adevărată chiar și atunci când versiunea clasică se destramă (la scări cuantice).

Rezultatul nu este o dovadă a unei inegalități cuantice Penrose. Dar faptul că un astfel de rezultat este valabil atât în domeniul cuantic, cât și în cel clasic îl întărește.

Vă recomandăm să mai citiți și:

O gaură neagră „înfometată” se hrănește de 40 de ori mai rapid decât limita teoretică

Astronomii au descoperit că gaura neagră supermasivă a Căii Lactee ascunde o structură alungită

O gaură neagră „primordială” ar putea trece prin Sistemul Solar în fiecare deceniu

Telescopul Spațial James Webb a găsit o gaură neagră care își omoară propria galaxie