Melnie caurumi ir vienas no visnoslēpumainākajām vietām Visumā; vietas, kur pats telpas un laika audums ir tik ļoti sagrozīts, ka no tām nevar izkļūt pat gaisma. Saskaņā ar Einšteina vispārējās relativitātes teoriju to centrā atrodas singularitāte - vieta, kur daudzu zvaigžņu masa tiek saspiesta tilpumā ar precīzi nulles lielumu. Tomēr divi nesenie fizikas dokumenti, kas attiecīgi 10. decembrī publicēti žurnālos Physical Review Letters un Fiziskā apskats D, var likt zinātniekiem pārskatīt to, ko mēs domājam, ka zinām par melnajiem caurumiem. Melnie caurumi varētu nebūt mūžīgi, un, iespējams, ka mēs esam pilnīgi pārpratuši to būtību un to, kā viņi izskatās centrā, saskaņā ar rakstiem.
Einšteina fizikas mala
Astronomi un fiziķi jau sen ir uzskatījuši, ka idejai par singularitāti vienkārši jābūt nepareizai. Ja objektam ar masu nav izmēra, tad tam ir bezgalīgs blīvums. Un, tāpat kā pētnieki mētājas ar vārdu "bezgalība", šāda veida bezgalības dabā neeksistē. Tā vietā, kad jūs sastopaties ar bezgalību reālā, fiziskā, zinātnes situācijā, tas patiesībā nozīmē to, ka jūs esat izvirzījuši matemātiku ārpus tās pasaules, kur tie tiek piemēroti. Jums nepieciešama jauna matemātika.
To ir viegli sniegt pazīstamu piemēru. Ņūtona gravitācijas likums saka, ka gravitācijas pievilcības stiprums mainās, kad viens no attāluma ir kvadrātā starp diviem objektiem. Tātad, ja jūs ņemtu bumbiņu, kas atrodas tālu no Zemes, tā piedzīvos noteiktu svaru. Tad, tuvojot to tuvāk Zemei, svars pieaugs. Ņemot šo vienādojumu līdz galējai robežai, tuvojot objektu netālu no Zemes centra, tas piedzīvos bezgalīgu spēku. Bet tā nav.
Tā vietā, tuvojot objektu tuvu Zemes virsmai, Ņūtona vienkāršais gravitācijas likums vairs nav spēkā. Jums jāņem vērā faktiskais Zemes masas sadalījums, un tas nozīmē, ka jums jāizmanto dažādi un sarežģītāki vienādojumi, kas paredz atšķirīgu uzvedību. Tāpat, kaut arī Einšteina vispārējās relativitātes teorija paredz, ka melno caurumu centrā pastāv bezgalīga blīvuma singulāritāte, tas nevar būt taisnība. Ļoti mazos izmēros ir jāiespējas jaunai gravitācijas teorijai. Mums šai jaunajai teorijai ir vispārējs nosaukums: to sauc par kvantu gravitāciju.
Nosaukums kvantu gravitācija vienkārši nozīmē "smagums pie mazākajiem svariem", taču frāze nenozīmē konkrētu teoriju. Tomēr ir izstrādāti īpaši teorētiski priekšlikumi, kas aprakstītu smagumu, kāds tas ir mikrokosmosā. Vienu priekšlikumu sauc par cilpas kvantu gravitāciju.
Cilpas kvantu gravitācija ir precīzi definēta matemātiski, un tā izsaka telpas-laika audumu kā spin tīkla režģi, kas laika gaitā attīstās. Spin tīkli ir tikai matemātiska formula, kas apraksta daļiņu un lauku mijiedarbību. No praktiskā viedokļa cilpas kvantu gravitācija paredz, ka telpas laiks tiek kvantizēts ar vismazāko iespējamo telpas un laika vienību vai gabalu, kuru pārsniedzot, telpas laiku nevar sīkāk sadalīt.
Cilpas kvantu gravitācija ir sarežģīta matemātiska teorija, kas ir pretojusies pārbaudāmu prognožu izdarīšanai melnajos caurumos. Tomēr Abhajs Ashtekars un Havjers Olmedo Pensilvānijas štata universitātē un Parampreet Singh Luiziānas štata universitātē ir piemērojuši cilpas kvantu gravitāciju melno caurumu centrā. Viņi apgalvo, ka rezultāts nav atšķirīgums.
Viņu aprēķins paredz, ka telpas laiks ir ļoti stipri izliekts netālu no melnā cauruma centra. Rezultāts ir tāds, ka kosmosa laiks nākotnē nonāk reģionā, kurā ir baltā cauruma struktūra. Baltais caurums ir kā melnais caurums reversā, kas nozīmē, ka atšķirībā no melnā cauruma, kurš ievelk matēriju, baltais caurums izšauj.
Varbūt ir vēl viens veids, kā iedomāties, ko viņi prognozē. Ir labi zināms, ka spēcīgos gravitācijas laukos laiks palēninās. Un melnie caurumi satur visspēcīgākos gravitācijas laukus Visumā. Tādēļ šī jaunā darba iespējamā interpretācija ir tāda, ka matērija iekrīt melnajā caurumā un pēc tam "piepeši" nošauj masu atpakaļ visā kosmosā. Tā kā melnā cauruma centra tuvumā laiks ir tik lēns, šis process vienkārši prasa ļoti daudz laika. Ja pētniekiem ir taisnība, ļoti tālā nākotnē, kur tagad ir melnie caurumi, matērija izvirdīsies, izplatot vielu visā kosmosā.
Kā vienmēr teorētiskajā zinātnē, ir daudz interesantu un provokatīvu ideju, kas vienkārši nav patiesas, un šī, iespējams, ir viena no tām. Tāpēc ir svarīgi noskaidrot, vai šādām teorētiskām idejām ir eksperimentāls atbalsts.
Ir dažas iespējas. Zinātnieki ir novērojuši ļoti augstas enerģijas parādības kosmosā, kas nav pilnībā izskaidrotas. Viens no tiem ir ļoti augstas enerģijas kosmisko staru esamība, kas ietekmē Zemes atmosfēru. Vēl viens ir tas, ko sauc par “ātru radio pārsprāgšanu”, tas ir, kad ļoti īsā laikā tiek novērots liels radio enerģijas daudzums. Abas šīs parādības vismaz principā varētu būt melnā cauruma pāreja uz balto caurumu.
Noteikti ir pāragri pieņemt šo jauno interesanto ideju. Tā vietā būtu saprātīgi redzēt, kā izvēršas notiekošie aprēķini, izmantojot cilpas kvantu gravitāciju. Ja prognozes uzlabosies un sāks izskatīties vairāk kā dažas neizskaidrojamas novērotas astronomiskas parādības, iespējams, ka šis jaunais rezultāts izskaidros kvantu gravitācijas darbību un pārveidos mūsu izpratni gan par mūsu Visuma pagātni, gan nākotni.
Dons Linkolns ir fizikas pētnieks Fermilab. Viņš ir grāmatas "Lielais hadronu sadursme: neparasts stāsts par Higsa Bosonu un citas lietas, kas ienesīs tavu prātu"(Johns Hopkins University Press, 2014), un viņš veido zinātnes izglītības sēriju video. Seko viņam vietnē Facebook. Šajā komentārā paustie viedokļi ir viņa.
Dons Linkolns pievienoja šo rakstu Live Science's Ekspertu balsis: op-ed un atziņas.
