Przejdź do treści

Czy czarne dziury mogą być hologramami?

czarna dziura

Czarne dziury są wciąż jednymi z najbardziej tajemniczych obiektów kosmicznych. Nowe badania zdają się teraz sugerować, że ich głębia i czerń to tylko holograficzna projekcja.

Niedawno pisaliśmy o tym, że według fizyków cały nasz Wszechświat może być hologramem. To jeszcze nie wszystko. Niezależnie od tego podobną naturę mają być może czarne dziury, który w tym modelu byłyby... płaskie. Wynika to zdaniem części naukowców z nowych wyliczeń dla ich entropii - czyli stopnia nieuporządkowania. Obliczenia te sugerują, że czarne dziury są czymś w rodzaju złudzenia optycznego.

Hipoteza holograficzna została po raz pierwszy zaproponowana przez fizyka Leonarda Susskinda w latach 90. Zgodnie z nią w ujęciu matematycznym cały Wszechświat wymaga istnienia tylko dwóch - a nie trzech, jak się nam wszystkim wydaje - wymiarów, aby działała grawitacja i inne znane nam prawa fizyki. Koncepcja ta, choć dość dziwna, może rozwiązywać niektóre ważne konflikty pomiędzy teorią względności Einsteina i mechaniką kwantową.

Fizycy zaproponowali teraz, że głównym powodem, dla którego nie możemy dowiedzieć się, co dzieje się z materią przekraczającą horyzont zdarzeń czarnej dziury, jest to, że obiekt taki w zasadzie nie ma żadnego "wnętrza". Alternatywą jest to, że wszystko, co przechodzi przez horyzont, zostaje uwięzione w pewnych odchyleniach grawitacyjnych obecnych na powierzchni czarnej dziury.

Zespół fizyków kierowany przez Daniele Pranzetti z Instytutu Fizyki Teoretycznej im. Maxa Plancka w Niemczech przedstawił nowe oszacowania dla ilości entropii istniejącej w czarnej dziurze. Obliczenia zdają się potwierdzać powyższe przypuszczenia.

Według Stephena Hawkinga entropia czarnej dziury musi być zależna od jej obszaru, ale już nie od jej objętości. Właśnie na gruncie tego pomysłu powstały pierwsze koncepcje czarnych dziur holograficznych. Choć wśród naukowców istnieje zgoda co do tego, że czarne dziury muszą mieć entropię, bo w przeciwnym wypadku ich istnienie naruszałoby drugą zasadę termodynamiki, nie osiągnięto do dziś porozumienia co do pochodzenia tej entropii. Nie wiadomo też, jak poprawnie wyliczać jej wartość.

Zespół Pranzetti zastosował w tym celu teorię znaną jako pętlowa grawitacja kwantowa (Loop Quantum Gravity, LQG). Próbuje ona wyjaśniać działanie tak zwanej kwantowej grawitacji - dąży do opisania siły grawitacyjnych zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Przewiduje między innymi, że Wszechświat składa się z maleńkich ziaren znanych jako kwanty - "atomów" czasoprzestrzeni. Zgrupowania tych kwantów nazywa się w niej kondensatami. Fizycy odkryli, że czarna dziura zbudowana z takich kondensatów miałaby wszystkie ich właściwości, a ich wzajemne zachowania i wywierane przez nie efekty grawitacyjne mogłyby być opisane poprzez zbadanie właściwości tylko jednego z nich.

Oznacza to, że chociaż nie możemy naprawdę zobaczyć ani zmierzyć tego, co znajduje się za horyzontem zdarzeń czarnej dziury - a więc i jej entropii - nie ma to znaczenia, ponieważ zbiorowe właściwości wszystkich jej "atomów" można zmierzyć badając tylko jeden z nich. Podstawowe, składowe atomy tworzą w tej koncepcji rodzaj płynu, który jest obserwowaną przez nas, ciągłą czasoprzestrzenią o jednorodnej geometrii.

Należy teraz wyobrazić sobie czarną dziurę jako trójwymiarowy pierścień kosza do koszykówki. Ten pierścień to w tym modelu horyzont zdarzeń, natomiast siatka kosza jest czarną dziurą, do której wpada (i w której znika) cała materia. Gdyby wepchnąć tę siatkę w pewien sposób w pierścień (tworząc płaski, dwuwymiarowy okrąg) i przyjąć, że są one wykonane z wody, moglibyśmy dość łatwo dostrzec, że wszystko to, co mierzymy w pierścieniu, można także zastosować do tego, co znajduje się w upakowanej w nim sieci.

Ten dość uproszczony model pokazuje, że trójwymiarowa natura czarnych dziur może być po prostu złudzeniem. Wszystkie informacje o czarnej dziurze można hipotetycznie ograniczyć do dwuwymiarowej powierzchni, bez potrzeby odwoływania się do jej wnętrza. Model ten przedstawiono w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters. Choć zapewne trudno będzie ostatecznie udowodnić, że czarne dziury są w rzeczywistości dwuwymiarowe, będzie to dużym wyzwaniem dla teoretyków.

 

Czytaj więcej:


Źródło: physics-astronomy.com

Na zdjęciu: Wizualizacja czarnej dziury i wpadającej do niej materii. Źródło: APOD/Alain Riazuelo