Mustat aukot ovat maailmankaikkeuden salaperäisimpiä paikkoja; paikkoihin, joissa aivan tilan ja ajan kangas on vääntynyt niin pahasti, ettei edes valo pääse pakenemaan niistä. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan niiden keskipisteessä on singulaarisuus, paikka, jossa monien tähtien massa murskataan tilavuudeksi, jolla on tarkalleen nolla koko. Kaksi viimeaikaista fysiikan tutkimusta, jotka julkaistiin 10. joulukuuta lehdissä Physical Review Letters ja Physical Review D, saattavat kuitenkin saada tutkijat harkitsemaan sitä, mitä uskomme tietävämme mustista reikistä. Mustat reiät eivät ehkä kestä ikuisesti, ja on mahdollista, että olemme ymmärtäneet täysin niiden luonteen ja miltä ne näyttävät keskeltä papereiden mukaan.
Einsteinin fysiikan reuna
Tähtitieteilijät ja fyysikot ovat jo kauan todenneet, että ajatuksen yksinäisyydestä on yksinkertaisesti oltava väärä. Jos esineellä, jolla on massa, ei ole kokoa, niin sillä on ääretön tiheys. Ja niin paljon kuin tutkijat heittävät sanaa "äärettömyyteen", tällaista äärettömyyttä ei ole luonnossa. Sen sijaan, kun kohtaat äärettömyyttä todellisessa, fyysisessä, tieteellisessä tilanteessa, se oikeasti tarkoittaa sitä, että olet siirtänyt matematiikkasi sen valtakunnan ulkopuolelle, missä he soveltuvat. Tarvitset uuden matematiikan.
Tästä on helppo antaa tuttu esimerkki. Newtonin painovoimalaki sanoo, että painovoiman vetovoima muuttuu, kun yksi etäisyydellä, joka on neliönä kahden esineen välillä. Joten jos ottaisit pallon, joka sijaitsee kaukana maapallosta, sillä olisi tietty paino. Sitten, kun viet sen lähemmäksi maata, paino kasvaa. Kun otetaan tämä yhtälö äärimmäiseen tilanteeseen, kun viet objektin lähellä Maan keskustaa, se kokee äärettömän voiman. Mutta ei.
Sen sijaan, kun tuodaan esine lähelle maan pintaa, Newtonin yksinkertainen painolaki ei enää ole voimassa. Sinun on otettava huomioon maan massan todellinen jakauma, ja tämä tarkoittaa, että sinun on käytettävä erilaisia ja monimutkaisempia yhtälöitä, jotka ennustavat erilaista käyttäytymistä. Samoin, vaikka Einsteinin teoreettisessa suhteellisuusteoriassa ennustetaan, että äärettömän tiheyden singulaarisuus on olemassa mustien reikien keskellä, tämä ei voi olla totta. Hyvin pienillä kokoilla uuden painovoiman teorian on oltava mukana. Meillä on yleinen nimi tälle uudelle teorialle: Sitä kutsutaan kvanttipainoksi.
Nimi kvanttipaino tarkoittaa yksinkertaisesti "painovoimaa pienimmissä asteikoissa", mutta lause ei tarkoita erityistä teoriaa. On kuitenkin tehty erityisiä teoreettisia ehdotuksia, jotka kuvaavat painovoimaa sellaisena kuin se on mikrokosmossa. Yksi ehdotus on nimeltään silmukka kvantti gravitaatio.
Silmukan kvantitatiivisuus on määritelty matemaattisesti ja se ilmaisee avaruus-ajan kankaan spin-verkkojen hilana, joka kehittyy ajan myötä. Spin-verkot ovat vain matemaattinen formulaatio, joka kuvaa hiukkasten ja kenttien vuorovaikutusta. Käytännöllisemmästä näkökulmasta silmukkakvanttivoima ennustaa, että avaruus-aika kvantisoidaan pienimmällä mahdollisella yksiköllä tai kappaleella tilaa ja aikaa, jonka ulkopuolella tilaa-aikaa ei voida jakaa edelleen.
Silmukkakvanttivoima on vaikea matemaattinen teoria, joka on vastustanut testattavien ennusteiden tekemistä mustien reikien sisällä. Abhay Ashtekar ja Javier Olmedo Pennsylvanian osavaltion yliopistossa ja Parampreet Singh Louisianan osavaltion yliopistossa ovat kuitenkin soveltaneet silmukvant gravitaatiota mustien reikien keskelle. He väittävät, että tulos ei ole ainutlaatuisuus.
Heidän laskelmiensa mukaan avaruus-aika on kaareva erittäin voimakkaasti lähellä mustan aukon keskustaa. Tuloksena on, että avaruus-aika jatkuu tulevaisuuden alueeksi, jolla on valkoisen aukon rakenne. Valkoinen reikä on kuin musta aukko taaksepäin, mikä tarkoittaa, että toisin kuin musta reikä, joka vetää aineen sisään, valkoinen reikä ampuu asiaan.
On ehkä toinen tapa kuvitella, mitä he ennustavat. On hyvin tiedossa, että voimakkaissa painovoimakentissä aika hidastuu. Ja mustia reikiä ovat maailmankaikkeuden voimakkaimmat painovoimakentät. Tämän takia tämän uuden teoksen yksi mahdollinen tulkinta on, että aine putoaa mustaan aukkoon ja "pomppii" sitten ampumalla massaa takaisin maailmankaikkeuden yli. Koska aika on niin hidasta lähellä mustan aukon keskustaa, tämä prosessi vie yksinkertaisesti valtavasti aikaa. Jos tutkijat ovat oikein, niin kaukana tulevaisuudessa, missä on nyt mustia aukkoja, aine purkautuu ja leviää aineen koko kosmossa.
Kuten aina teoreettisessa tieteessä, on olemassa monia mielenkiintoisia ja provosoivia ideoita, jotka vain eivät ole totta, ja tämä saattaa olla yksi niistä. Joten on tärkeää nähdä, onko näiden kaltaisille teoreettisille ideoille kokeellista tukea.
On olemassa muutamia mahdollisuuksia. Tutkijat ovat havainneet avaruudessa erittäin korkeita energiailmiöitä, joita ei ole täysin selitetty. Yksi on erittäin korkean energian kosmisten säteiden olemassaolo, jotka osuvat Maan ilmakehään. Toinen on ns. "Nopea radiopurske", joka on silloin, kun suuri määrä radioenergiaa havaitaan hyvin lyhyessä ajassa. Molemmat näistä ilmiöistä voisivat ainakin periaatteessa olla merkki mustasta aukosta, joka siirtyy valkoiseen reikään.
On varmasti ennenaikaista hyväksyä tätä mielenkiintoista uutta ajatusta. Sen sijaan olisi järkevää nähdä, kuinka meneillään olevat laskennalliset silmäkvanttivoimaa käyttävät laskelmat alkavat. Jos ennusteet paranevat ja alkavat näyttää enemmän kuin selittämättömät havaitut tähtitieteelliset ilmiöt, voi olla, että tämä uusi tulos selittää sekä kvanttigravitaation toimivuuden että muuttaa meidän ymmärrystämme sekä universumin menneisyydestä että tulevaisuudesta.
Don Lincoln on fysiikan tutkija Fermilab. Hän on kirjoittanut "Suuri hadronin kolari: Erinomainen tarina Higgs Bosonista ja muista juttuista, jotka tulevat mieleen"(Johns Hopkins University Press, 2014), ja hän tuottaa joukon luonnontieteiden koulutusta Videot. Seuraa häntä Facebookissa. Tässä kommentissa esitetyt mielipiteet ovat hänen.
Don Lincoln kirjoitti tämän artikkelin Live Science's -elokuvalle Asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
