Η συμπεριφορά της μαύρης τρύπας υποδηλώνει ότι είναι θεωρητικά δυνατό το κόλπο του Dr. Who’s Tardis

Κάντε μαύρες τρύπες, όπως

ετοιμοθάνατοι γέροι στρατιώτες

, απλά ξεθωριάζει; Σκάνε σαν υπερδιάστατα μπαλόνια; Ίσως το κάνουν, ή ίσως περνούν μέσα από έναν κοσμικό ρουβίκωνα, αντιστρέφοντας ουσιαστικά τη φύση τους και γίνονται αντίστροφες ανωμαλίες που δεν μπορούν να εισέλθουν μέσω των οριζόντων γεγονότων τους, αλλά που διώχνουν συνεχώς ενέργεια και ύλη πίσω στο σύμπαν.

Στο τελευταίο του βιβλίο,


Λευκές Τρύπες



,

Ο φυσικός και φιλόσοφος Carlo Rovelli εστιάζει την προσοχή του και τη σημαντική τεχνογνωσία του στα μυστηριώδη διαστημικά φαινόμενα, βουτώντας πέρα ​​από τον ορίζοντα γεγονότων για να εξερευνήσει τις θεωρητικές εσωτερικές λειτουργίες τους και να θέσει τι μπορεί να βρίσκεται στο κάτω μέρος αυτών των απειροί μικροσκοπικών, απείρως συναρπαστικών βαρυτικών σημείων. Στο απόσπασμα Hitting the

Books

αυτής της εβδομάδας, ο Rovelli συζητά ένα επιστημονικό σχίσμα που διχάζει την αστροφυσική κοινότητα ως προς το πού πηγαίνουν όλες οι πληροφορίες – οι οποίες, από την τρέχουσα κατανόηση των κανόνων του σύμπαντος μας, δεν μπορούν να καταστραφούν – μόλις παγιδευτούν σε ένα αναπόδραστο μαύρη τρύπα.

Απόσπασμα από τον


Λευκές Τρύπες


του Κάρλο Ροβέλι. Έκδοση Riverhead Books. Πνευματικά δικαιώματα © 2023 από τον Carlo Rovelli. Ολα τα δικαιώματα διατηρούνται.

Το 1974, ο Stephen Hawking έκανε μια απροσδόκητη θεωρητική ανακάλυψη: οι μαύρες τρύπες πρέπει να εκπέμπουν

θερμότητα

. Αυτό, επίσης, είναι ένα φαινόμενο κβαντικής σήραγγας, αλλά πιο απλό από την αναπήδηση ενός αστέρα Planck: τα φωτόνια που παγιδεύονται μέσα στον ορίζοντα διαφεύγουν χάρη στο πέρασμα που παρέχει η κβαντική φυσική σε όλα. «Σήραγγα» κάτω από τον ορίζοντα.

Έτσι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν θερμότητα, όπως μια σόμπα, και ο Χόκινγκ υπολόγισε τη θερμοκρασία τους. Η ακτινοβολούμενη θερμότητα μεταφέρει ενέργεια. Καθώς χάνει ενέργεια, η μαύρη τρύπα χάνει σταδιακά μάζα (η μάζα είναι ενέργεια), γίνεται όλο και πιο ελαφριά και μικρότερη. Ο ορίζοντας του συρρικνώνεται. Στην ορολογία λέμε ότι η μαύρη τρύπα «εξατμίζεται».

Η εκπομπή θερμότητας είναι η πιο χαρακτηριστική από τις μη αναστρέψιμες διεργασίες: οι διεργασίες που συμβαίνουν σε μία χρονική κατεύθυνση και δεν μπορούν να αντιστραφούν. Μια σόμπα εκπέμπει θερμότητα και ζεσταίνει ένα

κρύο

δωμάτιο. Έχετε δει ποτέ τους τοίχους ενός κρύου δωματίου να εκπέμπουν θερμότητα και να ζεσταίνουν μια ζεστή σόμπα; Όταν παράγεται θερμότητα, η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη. Στην πραγματικότητα, όποτε η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη, παράγεται θερμότητα (ή κάτι ανάλογο). Η θερμότητα είναι το σημάδι της μη αναστρεψιμότητας. Η θερμότητα διακρίνει το παρελθόν από το μέλλον.

Υπάρχει επομένως τουλάχιστον μια σαφώς μη αναστρέψιμη πτυχή της ζωής μιας μαύρης τρύπας: η σταδιακή συρρίκνωση του ορίζοντά της.

Αλλά, προσοχή: η συρρίκνωση του ορίζοντα δεν σημαίνει ότι το εσωτερικό της μαύρης τρύπας γίνεται μικρότερο. Το εσωτερικό παραμένει σε μεγάλο βαθμό αυτό που είναι και ο εσωτερικός όγκος συνεχίζει να αυξάνεται. Μόνο ο ορίζοντας είναι που συρρικνώνεται. Αυτό είναι ένα λεπτό σημείο που μπερδεύει πολλούς. Η ακτινοβολία Hawking είναι ένα φαινόμενο που αφορά κυρίως τον ορίζοντα και όχι το βαθύ εσωτερικό της τρύπας. Επομένως, μια πολύ παλιά μαύρη τρύπα αποδεικνύεται ότι έχει μια περίεργη γεωμετρία: ένα τεράστιο εσωτερικό (που συνεχίζει να μεγαλώνει) και έναν μικροσκοπικό (επειδή έχει εξατμιστεί) ορίζοντα που την περικλείει. Μια παλιά μαύρη τρύπα είναι σαν ένα γυάλινο μπουκάλι στα χέρια ενός επιδέξιου φυσητήρα γυαλιού Murano που καταφέρνει να κάνει τον όγκο του μπουκαλιού να αυξάνεται καθώς ο λαιμός του στενεύει.

Τη στιγμή του άλματος από το μαύρο στο άσπρο, μια μαύρη τρύπα μπορεί επομένως να έχει έναν εξαιρετικά μικρό ορίζοντα και ένα τεράστιο εσωτερικό. Ένα μικροσκοπικό κοχύλι που περιέχει αχανείς χώρους, όπως σε έναν μύθο.

Στους μύθους, συναντάμε μικρές καλύβες στις οποίες, όταν μπαίνεις, αποδεικνύεται ότι περιέχουν εκατοντάδες απέραντα δω

μάτια

. Αυτό φαίνεται αδύνατο, τα παραμύθια. Δεν είναι όμως έτσι. Ένας τεράστιος χώρος κλεισμένος σε μια μικρή σφαίρα είναι συγκεκριμένα δυνατός.

Αν αυτό μας φαίνεται παράξενο, είναι μόνο επειδή συνηθίσαμε στην ιδέα ότι η γεωμετρία του χώρου είναι απλή: είναι αυτή που μελετήσαμε στο σχολείο, η γεωμετρία του Ευκλείδη. Αλλά δεν είναι έτσι στον πραγματικό κόσμο. Η γεωμετρία του χώρου παραμορφώνεται από τη βαρύτητα. Η παραμόρφωση επιτρέπει σε έναν τεράστιο όγκο να περικλείεται μέσα σε μια μικροσκοπική σφαίρα. Η βαρύτητα ενός αστεριού Planck δημιουργεί μια τέτοια τεράστια παραμόρφωση.

Ένα μυρμήγκι που ζούσε πάντα σε μια μεγάλη, επίπεδη πλατεία θα εκπλαγεί όταν ανακαλύψει ότι μέσα από μια μικρή τρύπα έχει πρόσβαση σε ένα μεγάλο υπόγειο γκαράζ. Το ίδιο και για εμάς με μια μαύρη τρύπα. Αυτό που διδάσκει η έκπληξη είναι ότι δεν πρέπει να έχουμε τυφλή εμπιστοσύνη στις συνήθεις ιδέες: ο κόσμος είναι πιο ξένος και πιο ποικίλος από όσο φανταζόμαστε.

Η ύπαρξη μεγάλων όγκων μέσα σε μικρούς ορίζοντες έχει επίσης δημιουργήσει σύγχυση στον κόσμο της επιστήμης. Η επιστημονική κοινότητα έχει διχαστεί και τσακώνεται για το θέμα. Στο υπόλοιπο αυτής της ενότητας, σας αναφέρω αυτή τη διαμάχη. Είναι πιο τεχνικό από τα υπόλοιπα — παραλείψτε το αν θέλετε — αλλά είναι μια εικόνα μιας ζωντανής, συνεχιζόμενης επιστημονικής συζήτησης.

Η διαφωνία αφορά πόσες πληροφορίες μπορείτε να στριμώξετε σε μια οντότητα με μεγάλο όγκο αλλά μικρή επιφάνεια. Ένα μέρος της επιστημονικής κοινότητας είναι πεπεισμένο ότι μια μαύρη τρύπα με μικρό ορίζοντα μπορεί να περιέχει μόνο μια μικρή ποσότητα πληροφοριών. Ένας άλλος διαφωνεί.

Τι σημαίνει «περιέχει πληροφορίες»;

Πάνω κάτω αυτό: Υπάρχουν περισσότερα πράγματα σε ένα κουτί που περιέχει πέντε μεγάλες και βαριές μπάλες ή σε ένα κουτί που περιέχει είκοσι μικρά μάρμαρα; Η απάντηση εξαρτάται από το τι εννοείτε με τον όρο «περισσότερα πράγματα». Οι πέντε μπάλες είναι μεγαλύτερες και ζυγίζουν περισσότερο, επομένως το πρώτο κουτί περιέχει περισσότερη ύλη, περισσότερη ουσία, περισσότερη ενέργεια, περισσότερα πράγματα. Υπό αυτή την έννοια, υπάρχουν «περισσότερα πράγματα» στο κουτί με τις μπάλες.

Αλλά ο αριθμός των μαρμάρων είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των σφαιρών. Υπό αυτή την έννοια, υπάρχουν «περισσότερα πράγματα», περισσότερες λεπτομέρειες, στο κουτί με τα μάρμαρα. Αν θέλαμε να στείλουμε σήματα, δίνοντας ένα μόνο χρώμα σε κάθε μάρμαρο ή σε κάθε μπάλα, θα μπορούσαμε να στείλουμε περισσότερα σήματα, περισσότερα χρώματα, περισσότερες πληροφορίες, με τα μάρμαρα, γιατί είναι περισσότερα. Πιο συγκεκριμένα: χρειάζονται περισσότερες πληροφορίες για να περιγραφούν τα μάρμαρα παρά για να περιγραφούν οι μπάλες, γιατί είναι περισσότερες. Σε τεχνικούς όρους, το κουτί με τις μπάλες περιέχει περισσότερα

ενέργεια

ενώ το κουτί με μάρμαρα περιέχει περισσότερα

πληροφορίες

.

Μια παλιά μαύρη τρύπα, αρκετά εξατμισμένη, έχει λίγη ενέργεια, επειδή η ενέργεια έχει παρασυρθεί μέσω της ακτινοβολίας Hawking. Μπορεί να περιέχει ακόμα πολλές πληροφορίες, αφού έχει φύγει μεγάλο μέρος της ενέργειάς του; Εδώ είναι ο καυγάς.

Μερικοί από τους συναδέλφους μου έπεισαν τους εαυτούς τους ότι δεν είναι δυνατό να στριμώξουμε πολλές πληροφορίες κάτω από μια μικρή επιφάνεια. Δηλαδή, πείστηκαν ότι όταν η περισσότερη ενέργεια έχει φύγει και ο ορίζοντας έχει γίνει μικροσκοπικός, μόνο λίγες πληροφορίες μπορούν να παραμείνουν μέσα.

Ένα άλλο μέρος της επιστημονικής κοινότητας (στην οποία ανήκω) είναι πεπεισμένο για το αντίθετο. Οι πληροφορίες σε μια μαύρη τρύπα -ακόμη και σε μια πολύ εξατμισμένη- μπορεί να είναι ακόμα μεγάλες. Κάθε πλευρά είναι πεπεισμένη ότι η άλλη έχει παραστρατήσει.

Οι διαφωνίες αυτού του είδους είναι κοινές στην ιστορία της επιστήμης. μπορεί να πει κανείς ότι είναι το αλάτι της πειθαρχίας. Μπορούν να διαρκέσουν πολύ. Οι επιστήμονες χωρίζουν, μαλώνουν, ουρλιάζουν, τσακώνονται, τσακώνονται, πετάνε ο ένας στον λαιμό του άλλου. Στη συνέχεια, σταδιακά, εμφανίζεται η σαφήνεια. Κάποιοι καταλήγουν να έχουν δίκιο, άλλοι καταλήγουν να έχουν άδικο.

Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, για παράδειγμα, ο κόσμος της φυσικής χωρίστηκε σε δύο άγριες φατρίες. Ένα από αυτά ακολούθησε τον Mach στη σκέψη ότι τα άτομα ήταν απλώς βολικές μαθηματικές φαντασίες. ο άλλος ακολούθησε τον Boltzmann πιστεύοντας ότι τα άτομα υπάρχουν πραγματικά. Τα επιχειρήματα ήταν άγρια. Ο Ernst Mach ήταν μια πανύψηλη φιγούρα, αλλά ο Boltzmann ήταν αυτός που αποδείχθηκε ότι είχε δίκιο. Σήμερα, βλέπουμε ακόμη και άτομα μέσω μικροσκοπίου.

Νομίζω ότι οι συνάδελφοί μου που είναι πεπεισμένοι ότι ένας μικρός ορίζοντας μπορεί να περιέχει μόνο μια μικρή ποσότητα πληροφοριών έχουν κάνει ένα σοβαρό λάθος, ακόμα κι αν εκ πρώτης όψεως τα επιχειρήματά τους φαίνονται πειστικά. Ας τα δούμε αυτά.

Το πρώτο επιχείρημα είναι ότι είναι δυνατό να υπολογιστεί πόσα στοιχειώδη συστατικά (πόσα μόρια, για παράδειγμα) σχηματίζουν ένα αντικείμενο, ξεκινώντας από τη σχέση μεταξύ της ενέργειάς του και της θερμοκρασίας του. Γνωρίζουμε την ενέργεια μιας μαύρης τρύπας (είναι η μάζα της) και η θερμοκρασία της (υπολογισμένη από τον Χόκινγκ), οπότε μπορούμε να κάνουμε τα μαθηματικά. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι όσο μικρότερος είναι ο ορίζοντας, τόσο λιγότερα τα στοιχειώδη συστατικά του.

Το δεύτερο επιχείρημα είναι ότι υπάρχουν σαφείς υπολογισμοί που μας επιτρέπουν να μετρήσουμε απευθείας αυτά τα στοιχειώδη συστατικά, χρησιμοποιώντας και τις δύο από τις πιο μελετημένες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας – τη θεωρία χορδών και τη θεωρία βρόχου. Οι δύο θεωρίες αρχειοαγωνιστών ολοκλήρωσαν αυτόν τον υπολογισμό μέσα σε μήνες η μία από την άλλη το 1996. Και για τις δύο, ο αριθμός των στοιχειωδών συστατικών γίνεται μικρός όταν ο ορίζοντας είναι μικρός.

Αυτά φαίνονται σαν ισχυρά επιχειρήματα. Με βάση αυτά τα επιχειρήματα, πολλοί φυσικοί έχουν αποδεχτεί ένα «δόγμα» (το αποκαλούν έτσι οι ίδιοι): ο αριθμός των στοιχειωδών συστατικών που περιέχονται σε μια μικρή επιφάνεια είναι αναγκαστικά μικρός. Μέσα σε έναν μικρό ορίζοντα μπορεί να υπάρχουν μόνο λίγες πληροφορίες. Εάν τα στοιχεία για αυτό το «δόγμα» είναι τόσο ισχυρά, πού βρίσκεται το λάθος;

Βρίσκεται στο γεγονός ότι και τα δύο επιχειρήματα αναφέρονται μόνο στα στοιχεία της μαύρης τρύπας που μπορούν να ανιχνευθούν από το εξωτερικό, εφόσον η μαύρη τρύπα παραμένει αυτό που είναι. Και αυτά είναι μόνο τα συστατικά που κατοικούν στον ορίζοντα. Και τα δύο επιχειρήματα, με άλλα λόγια, αγνοούν ότι μπορεί να υπάρχουν στοιχεία στον μεγάλο εσωτερικό όγκο. Αυτά τα επιχειρήματα διατυπώνονται από την οπτική γωνία κάποιου που παραμένει μακριά από τη μαύρη τρύπα, δεν βλέπει το εσωτερικό και υποθέτει ότι η μαύρη τρύπα θα παραμείνει ως έχει για πάντα. Εάν η μαύρη τρύπα μείνει για πάντα έτσι – θυμηθείτε – όσοι βρίσκονται μακριά από αυτήν θα δουν μόνο ό,τι είναι έξω ή αυτό που είναι σωστό στον ορίζοντα. Λες και για αυτούς το εσωτερικό δεν υπάρχει.

Για αυτούς

.

Αλλά το εσωτερικό υπάρχει! Και όχι μόνο για αυτούς (όπως εμείς) που τολμούν να μπουν, αλλά και για όσους απλά έχουν την υπομονή να περιμένουν να γίνει λευκός ο μαύρος ορίζοντας, επιτρέποντας σε ό,τι ήταν παγιδευμένο μέσα να βγει. Με άλλα λόγια, το να φανταζόμαστε ότι οι υπολογισμοί του αριθμού των συστατικών μιας μαύρης τρύπας που δίνονται από τη θεωρία χορδών ή τη θεωρία βρόχου είναι πλήρεις σημαίνει ότι δεν έχουμε λάβει υπόψη

άρθρο του Finkelstein του 1958

. Η περιγραφή μιας μαύρης τρύπας από το εξωτερικό είναι ελλιπής.

Ο υπολογισμός της κβαντικής βαρύτητας βρόχου είναι αποκαλυπτικός: ο αριθμός των συστατικών υπολογίζεται με ακρίβεια μετρώντας τον αριθμό των κβαντών του χώρου στον ορίζοντα. Αλλά ο υπολογισμός της θεωρίας χορδών, μετά από προσεκτική επιθεώρηση, κάνει το ίδιο: υποθέτει ότι η μαύρη τρύπα είναι ακίνητη και βασίζεται σε αυτό που φαίνεται από μακριά. Παραμελεί, κατά την υπόθεση, ό,τι είναι μέσα και αυτό που θα φανεί από μακριά αφού η τρύπα εξατμιστεί – όταν δεν είναι πλέον ακίνητη.

Νομίζω ότι ορισμένοι από τους συναδέλφους μου κάνουν λάθος από ανυπομονησία, θέλουν όλα να επιλυθούν πριν από το τέλος της εξάτμισης, όπου η κβαντική βαρύτητα γίνεται αναπόφευκτη) και επειδή ξεχνούν να λάβουν υπόψη τους ό,τι είναι πέρα ​​από αυτό που μπορεί να δει αμέσως – δύο λάθη που όλοι συχνά κάνουν στη ζωή.

Οι πιστοί στο δόγμα αντιμετωπίζουν

πρόβλημα

. Το αποκαλούν «το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας». Είναι πεπεισμένοι ότι μέσα σε μια εξατμισμένη μαύρη τρύπα δεν υπάρχει πλέον καμία πληροφορία. Τώρα, ό,τι πέφτει σε μια μαύρη τρύπα μεταφέρει πληροφορίες. Έτσι, ένας μεγάλος όγκος πληροφοριών μπορεί να εισέλθει στην τρύπα. Οι πληροφορίες δεν μπορούν να εξαφανιστούν. Πού πάει;

Για να λύσουν το παράδοξο, οι θιασώτες του δόγματος φαντάζονται ότι οι πληροφορίες ξεφεύγουν από την τρύπα με μυστηριώδεις και μπαρόκ τρόπους, ίσως στις πτυχές της ακτινοβολίας Hawking, όπως ο Οδυσσέας και οι σύντροφοί του δραπετεύουν από τη σπηλιά του Κύκλωπα κρύβονται κάτω από πρόβατα. Ή εικάζουν ότι το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας συνδέεται με το εξωτερικό με υποθετικά αόρατα κανάλια. . . Βασικά, σφίγγουν τα άχυρα – αναζητούν, όπως όλοι οι δογματιστές που αντιμετωπίζουν δυσκολίες, άδοξους τρόπους για να σώσουν το δόγμα.

Όμως οι πληροφορίες που μπαίνουν στον ορίζοντα δεν ξεφεύγουν με κάποια απόκρυφα, μαγικά μέσα. Απλώς βγαίνει αφού ο ορίζοντας έχει μετατραπεί από μαύρο σε λευκό.

Στα τελευταία του χρόνια, ο Στίβεν Χόκινγκ συνήθιζε να παρατηρεί ότι δεν υπάρχει λόγος να φοβόμαστε τις μαύρες τρύπες της ζωής: αργά ή γρήγορα, θα υπάρξει διέξοδος από αυτές. Υπάρχει — μέσω της λευκής τρύπας του παιδιού.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο Engadget στη διεύθυνση https://www.engadget.com/hitting-the-books-white-holes-carlo-rovelli-riverhead-153058062.html?src=rss

VIA:

engadget.com