Ας Μιλήσουμε για τις Μαύρες Τρύπες: Καταρχάς Υπάρχουν

Το άρθρο δημοσιεύτηκε αρχικά στο Motherboard.

Φαντάσου, για μια στιγμή, ότι το είδος μας έχει τελειοποιήσει τα διαστρικά ταξίδια και μπορούμε να πάμε σε όποιο μέρος του σύμπαντος θέλουμε. Θα υπάρχουν πολλά ενδιαφέροντα μέρη να δούμε και πολλά αστροφυσικά φαινόμενα να ερευνήσουμε, όμως ένα ταξίδι σε μια μαύρη τρύπα θα είναι σίγουρα στην κορυφή της λίστας των δημοφιλέστερων προορισμών. Όμως γιατί να θέλει κάποιος να επισκεφτεί κάτι από το οποίο τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει; Κυρίως, επειδή οι φυσικοί διαφωνούν επί δεκαετίες ως προς το τι θα συνέβαινε, αν κάποιος έμπαινε σε μία.

Μια προειδοποίηση: Οι περισσότεροι φυσικοί δεν έχουν σχεδόν καμία αμφιβολία για το γεγονός ότι θα γινόσουν χίλια κομματάκια προτού καν πλησιάσεις σε μια μικρή μαύρη τρύπα (ο τεχνικός όρος είναι «μακαρονοποίηση» - οι έντονες βαρυτικές δυνάμεις σε τεντώνουν, μέχρι που γίνεσαι μια αλληλουχία ατόμων). Όμως μια νέα έρευνα από μια διεθνή ομάδα επιστημόνων των μαθηματικών δείχνει ότι ενδέχεται να υπάρχουν ορισμένες μαύρες τρύπες που θεωρητικά είναι προσβάσιμες σε έναν παρατηρητή, αν και οι συνέπειες θα ήταν παράξενες.

Όπως αναφέρεται λεπτομερώς σε έκθεση που δημοσιεύτηκε την περασμένη εβδομάδα στο Physical Review Letters, οι παρατηρητές που θα εισέρχονταν σε ορισμένα είδη θεωρητικών μαύρων τρυπών δεν θα εξαλείφονταν απαραίτητα – ή τουλάχιστον όχι με τον τρόπο που πιθανώς φαντάζεσαι. Αντίθετα, η είσοδος ενός παρατηρητή σε αυτές τις μαύρες τρύπες θα κατέστρεφε το παρελθόν τους και ενδεχομένως θα δημιουργούσε άπειρες εκδοχές του μέλλοντός τους. Ο παρατηρητής δεν θα έβγαινε ποτέ από τη μαύρη τρύπα, για να διηγηθεί τι συνέβη, όμως αυτό δεν έχει σημασία – δεν θα υπήρχε κανείς από το παρελθόν του, για να του πει την ιστορία, ούτως ή άλλως.

Είναι πολλά που πρέπει να εξηγηθούν σε αυτό το σημείο, οπότε ας ξεκινήσουμε με κάποια βασικά. Ίσως να έχεις ακούσει για έναν τύπο που λέγεται Albert Einstein, ο οποίος, ανάμεσα σε άλλα, άλλαξε ριζικά τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον χώρο και τον χρόνο, όταν δημοσίευσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, πριν από περίπου έναν αιώνα.

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein περιγράφει τη βαρύτητα ως ιδιότητα του χωροχρόνου, μια σκαλωσιά τεσσάρων διαστάσεων που υπάρχει παντού στο σύμπαν. Πιο συγκεκριμένα, η θεωρία περιγράφει την καμπυλότητα του χωροχρόνου ως συνάρτηση της μάζας, της ενέργειας και της κίνησης της ύλης. Αυτή η καμπυλότητα που σχηματίζεται από τα εν κινήσει αντικείμενα γίνεται αντιληπτή ως βαρύτητα.

Ένα από τα φαινόμενα που προέβλεπε η Θεωρία της Σχετικότητας ήταν η ύπαρξη μοναδικοτήτων χωροχρόνου μέσα στις μαύρες τρύπες, μια μάζα τόσο πυκνή που τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική της επίδραση – ούτε καν το φως. Για τον δικό μας σκοπό, μπορούμε να φανταστούμε μια μαύρη τρύπα ως ένα χωνί, του οποίου το στόμιο στενεύει σταδιακά φτάνοντας σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας, γνωστό ως μοναδικότητα.

Η δομή αυτών των μοναδικοτήτων αποτελεί αντικείμενο διαμάχης μεταξύ των φυσικών. Δεν μπορούμε να τις δούμε, επειδή ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας λειτουργεί ως φράγμα μεταξύ αυτών των απεριόριστων πυκνοτήτων και του υπόλοιπου σύμπαντος. Αυτό είναι καλό, διότι αν μπορούσαμε να δούμε τη μοναδικότητα στην καρδιά μιας μαύρης τρύπας –κάτι που ονομάζεται «γυμνή» μοναδικότητα– αυτό θα κατέστρεφε την αιτιοκρατία, η οποία είναι θεμελιώδης στη φυσική.

Ο λόγος που η φυσική μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για να προβλέψει πράγματα στη φύση, είναι επειδή το σύμπαν έχει αιτιοκρατικό χαρακτήρα. Αυτό σημαίνει ότι εάν κάποιος γνώριζε επακριβώς τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος, θεωρητικά θα μπορούσε να προβλέψει πώς ακριβώς θα αναπτυσσόταν το σύμπαν με την πάροδο του χρόνου, σε σχέση με αυτές τις αρχικές συνθήκες. Σε αυτό θα συμπεριλαμβάνονταν και οι σκέψεις και οι πράξεις αυτού του ανθρώπου, καθώς, όπως ισχυρίζονται γνωστικοί επιστήμονες όπως ο Dan Dennett, η συνείδηση καθορίζεται από τις υλικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νευρώνων. Το σημαντικό εδώ είναι ότι η αιτιοκρατία σημαίνει ότι το παρελθόν καθορίζει ένα και μόνο μέλλον.

Έτσι, προκύπτει ένα πρόβλημα για τους φυσικούς: Οι μοναδικότητες πρέπει να υπάρχουν, ως συνέπεια της Θεωρίας της Σχετικότητας, αλλά η παρατήρηση αυτών των μοναδικοτήτων φαίνεται να είναι αδύνατη. Προκειμένου να ξεπεράσουν αυτήν την αντίφαση, οι φυσικοί βασίζονται σε δύο συγγενείς, αλλά λογικά διακριτές, υποθέσεις, τις οποίες διατύπωσε αρχικά ο φυσικός Roger Penrose, πριν από περίπου 50 χρόνια: πρόκειται για την ακραία και τη μετριοπαθή υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας.

Η ακραία υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας δηλώνει ότι υπάρχει ένα όριο στον ορίζοντα γεγονότων των μαύρων τρυπών, γνωστό ως ορίζοντας Cauchy, το οποίο περιορίζει τις εφαρμογές της Θεωρίας της Σχετικότητας. Πέραν του ορίζοντα Cauchy, ο αιτιοκρατικός φυσικός κόσμος τελεί υπό την αρχή της απροσδιοριστίας. Μια συνέπεια αυτού του γεγονότος είναι ότι είναι αδύνατον για έναν παρατηρητή να ξεπεράσει τον ορίζοντα Cauchy, χωρίς να καταστραφεί (θα επανέλθουμε σε αυτό).

Η μετριοπαθής εκδοχή της υπόθεσης της κοσμικής λογοκρισίας, από την άλλη, υποδηλώνει ότι δεν υπάρχουν γυμνές μοναδικότητες στο σύμπαν, με εξαίρεση το Big Bang. Σήμερα, η μετριοπαθής υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας του Penrose θεωρείται απαραίτητη προϋπόθεση για το σύμπαν από τους φυσικούς, αν και η εγκυρότητά της εξακολουθεί να είναι ένα αναπάντητο ερώτημα.

Η ακραία κοσμική υπόθεση τυγχάνει πολύ μεγαλύτερης αμφισβήτησης και η νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε αυτήν την εβδομάδα αποτελεί την ισχυρότερη διάψευσή της μέχρι στιγμής. Το άρθρο του μεταδιδάκτορα του Πανεπιστημίου Μπέρκλεϋ, Peter Hintz και των συναδέλφων του υποδηλώνει ότι υπάρχουν κάποια είδη μαύρων τρυπών στο σύμπαν τα οποία θα επέτρεπαν σε έναν παρατηρητή να έχει πρόσβαση στο τυχαίο –μη αιτιοκρατικό– σύμπαν, από την άλλη πλευρά του ορίζοντα Cauchy της μαύρης τρύπας.

Τον τελευταίο αιώνα, η Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein έχει κατορθώσει να προβλέψει τα αποτελέσματα κάθε πειράματος που διεξήχθη για να την τεστάρει. Ίσως η ισχυρότερη επιβεβαίωσή της να έγινε το 2016, όταν οι φυσικοί στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) κατάφεραν να μετρήσουν για πρώτη φορά τα βαρυτικά κύματα που παρήχθησαν από δύο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες, ακριβώς όπως είχε προβλέψει η θεωρία του Einstein. Ωστόσο, η ικανότητα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας να περιγράψει τη βαρύτητα, προσκρούει στο κατώφλι των μοναδικοτήτων, όπου η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται άπειρη.

Ας φανταστούμε και πάλι ότι είμαστε εξερευνητές του διαστήματος και ότι πλησιάζουμε στον θεωρητικό τύπο μαύρης τρύπας που μελετά ο Hintz και οι συνάδελφοί του: Μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα με ηλεκτρικό φορτίο, γνωστή ως μαύρη τρύπα Reissner-Nordström-de Sitter. Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας, όσο προσεγγίζουμε τη μαύρη τρύπα, ο χρόνος ξεκινάει να επιβραδύνεται, λόγω της αυξανόμενης ισχύος του βαρυτικού πεδίου. Καθώς θα μπαίναμε στη μαύρη τρύπα, θα βλέπαμε το φως και την ύλη να πέφτει μέσα, μαζί μας. Τελικά, θα φτάναμε στον ορίζοντα Cauchy, που βρίσκεται μέσα στον ορίζοντα γεγονότων σε αυτούς τους τύπους μαύρης τρύπας.

Ο ορίζοντας Cauchy μπορεί να θεωρηθεί ως το φράγμα μεταξύ του αιτιοκρατικού και του μη αιτιοκρατικού σύμπαντος. Από τη στιγμή που ένας παρατηρητής διασχίσει αυτό το όριο, το παρελθόν παύει να καθορίζει το μέλλον. Ένας παρατηρητής που θα διέσχιζε αυτό το όριο, θα έβλεπε, ως αποτέλεσμα, όλη την ενέργεια που θα συναντούσε ποτέ η μαύρη τρύπα στη διάρκεια ολόκληρης της ύπαρξης του σύμπαντος να προσκρούει στον ορίζοντα Cauchy μονομιάς. Αυτός είναι ο λόγος που η ακραία υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας διατείνεται ότι είναι αδύνατον να ξεπεράσει ένας παρατηρητής τον ορίζοντα Cauchy - θα τον αφάνιζε ολοκληρωτικά όλη αυτή η ενέργεια.

Ωστόσο, ο Hintz και οι συνάδελφοί του συνειδητοποίησαν ότι αυτό δεν ήταν απαραίτητο σε αυτήν την περίπτωση, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται με ταχύτατους ρυθμούς. Αυτό σημαίνει ότι παρόλο που ο χωροχρόνος συμπυκνώνεται απείρως σε μια μαύρη τρύπα, ταυτόχρονα διασπάται ή τεντώνεται, λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Αντί λοιπόν να προσκρούσει όλη η ενέργεια του σύμπαντος πάνω στον ορίζοντα Cauchy μονομιάς, μονάχα ένα σχετικά μικρό τμήμα της ενέργειας του σύμπαντος θα κατάφερνε να φτάσει στη μαύρη τρύπα, καθώς αυτή η ενέργεια δεν μπορεί να ταξιδέψει από τις πιο απομακρυσμένες γωνιές του σύμπαντος μέχρι τη μαύρη τρύπα με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός.

VICE Video: Συναντήσαμε τον Έλληνα Αστροφυσικό της ΝASA που Έχει Αστεροειδή με το Όνομά του

Παρακολουθήστε όλα τα βίντεo του VICE, μέσω της νέας σελίδας VICE Video Greece στο Facebook.

Όπως περιγράφει λεπτομερώς ο Hintz και οι συνάδελφοί του, η ποσότητα ενέργειας που θα περάσει στη μαύρη τρύπα είναι μόνο η ποσότητα ενέργειας που περιέχεται στον ορίζοντα που μπορεί να παρατηρηθεί από την οπτική της μαύρης τρύπας. Αυτός ο παρατηρήσιμος ορίζοντας είναι «μικρότερος» από ολόκληρο το σύμπαν, επειδή το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό.

Για να κατανοήσουμε γιατί συμβαίνει αυτό, πρέπει να σκεφτούμε τη δική μας προοπτική στη Γη. Αν και μπορούμε να δούμε τα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια του παρελθόντος, ο παρατηρήσιμος ορίζοντάς μας βρίσκεται στην πραγματικότητα στα 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός, αφού περιλαμβάνει όλα όσα θα δούμε στο μέλλον. Δεν θα μπορέσουμε να δούμε ποτέ «πέραν» αυτού, επειδή το διάστημα διαστέλλεται με ταχύτητα μεγαλύτερη από εκείνη του φωτός, επομένως το φως από αντικείμενα πέρα από αυτόν τον κοσμολογικό ορίζοντα δεν θα φτάσει ποτέ σε εμάς και τα αντικείμενα που βρίσκονται στο χείλος αυτού του ορίζοντα θα εξασθενήσουν σταδιακά, μέχρι που τελικά θα εξαφανιστούν από την οπτική μας.

Το ίδιο ισχύει και για τη θεωρητική μαύρη τρύπα Reissner-Nordström-de Sitter που επισκεπτόμαστε. Η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος ουσιαστικά «ακυρώνει» τη χρονική διαστολή που προκύπτει από την πτώση στη μαύρη τρύπα υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτό θα επέτρεπε, θεωρητικά, σε έναν παρατηρητή να περάσει μέσα από τον ορίζοντα Cauchy και να υπάρξει σε έναν μη αιτιοκρατικό κόσμο, όπου το παρελθόν του θα έπαυε να καθορίζει το μέλλον. Ουσιαστικά, η υπέρβαση αυτού του ορίου εξαλείφει το παρελθόν του παρατηρητή, δημιουργώντας έναν άπειρο αριθμό πιθανών εκδοχών μέλλοντος.

«Υπάρχουν ορισμένες ακριβείς λύσεις στις εξισώσεις του Einstein οι οποίες είναι απόλυτα ομαλές, χωρίς διαταραχές, χωρίς παλιρροιακές δυνάμεις που φτάνουν στο άπειρο, όπου τα πάντα λειτουργούν αρμονικά μέχρι τον ορίζοντα Cauchy και πέρα από αυτόν», είπε ο Hintz. «Μετά από αυτό το σημείο, μπορούν να συμβούν τα πάντα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, κάποιος μπορεί να αποφύγει εντελώς την κεντρική μοναδικότητα και να ζήσει για πάντα σε ένα άγνωστο σύμπαν».

Όλα αυτά είναι θεωρητικά, φυσικά. Ο Hintz και οι συνάδελφοί του δεν πιστεύουν ότι ένας φυσικός θα ταξιδέψει ποτέ μέσα σε μια τέτοια μαύρη τρύπα. Ο Hintz είπε μάλιστα ότι αυτές οι φορτισμένες μαύρες τρύπες που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο μπορεί να μην υπάρχουν καν. Ο λόγος είναι ότι μια φορτισμένη μαύρη τρύπα θα προσέλκυε ύλη με το αντίθετο φορτίο και τελικά θα γινόταν ουδέτερη. Παρόλα αυτά, το μαθηματικό μοντέλο είναι χρήσιμο ως ένας τρόπος μελέτης των περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών, οι οποίες, όπως είπε ο Hintz, αποτελούν μάλλον τον κανόνα.

«Κανείς φυσικός δεν πρόκειται να ταξιδέψει σε μια μαύρη τρύπα, για να κάνει αυτές τις μετρήσεις», είπε ο Hintz. «Αυτό είναι ένα ερώτημα που μπορεί να μελετηθεί μόνο μαθηματικά, όμως έχει φυσικές, σχεδόν φιλοσοφικές διαστάσεις. Από αυτήν την άποψη, οι εξισώσεις του Einstein γίνονται ακόμη πιο ενδιαφέρουσες».

Περισσότερα από το VICE

Γνωρίστε τη Σοφία Χατζηπαντελή, το Αγαπημένο Μοντέλο του Instagram με τα Ενωμένα Φρύδια

Η Ευρώπη Θέλει να μας Πάρει την Θερινή Ώρα

Η Μέρα που ένας Έλληνας Οδηγός Ταξί με Χτύπησε Επειδή Τόλμησα να Υπερασπιστώ τους Πρόσφυγες