Γιατί οι εσωτερικοί χώροι της Μαύρης Τρύπας μεγαλώνουν (σχεδόν) για πάντα
Ο Leonard Susskind, πρωτοπόρος της θεωρίας χορδών, της ολογραφικής αρχής και άλλων μεγάλων ιδεών της φυσικής που καλύπτουν τον τελευταίο μισό αιώνα, έχει πρότεινε μια λύση σε ένα σημαντικό παζλ σχετικά με τις μαύρες τρύπες. Το πρόβλημα είναι ότι, παρόλο που αυτές οι μυστηριώδεις, αόρατες σφαίρες φαίνονται να διατηρούν σταθερό μέγεθος όπως φαίνεται από το εξωτερικό, το εσωτερικό τους αυξάνει σε όγκο ουσιαστικά για πάντα. Πώς είναι δυνατό αυτό;
Σε μια σειρά από πρόσφατες εργασίες και ομιλίες, ο 78χρονος καθηγητής του Πανεπιστημίου Στάνφορντ και οι συνεργάτες του εικάζουν ότι οι μαύρες τρύπες αυξάνονται σε όγκο επειδή αυξάνονται σταθερά σε πολυπλοκότητα - μια ιδέα που, αν και αναπόδεικτη, τροφοδοτεί νέα σκέψη για το κβαντικό φύση της βαρύτητας μέσα στις μαύρες τρύπες.
Οι μαύρες τρύπες είναι σφαιρικές περιοχές τόσο ακραίας βαρύτητας που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει. Ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά πριν από έναν αιώνα ως συγκλονιστικές λύσεις στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, από τότε έχουν ανιχνευθεί σε όλο το σύμπαν. (Σχηματίζονται συνήθως από την εσωτερική βαρυτική κατάρρευση νεκρών άστρων.) Η θεωρία του Αϊνστάιν εξισώνει τη δύναμη της βαρύτητας με τις καμπύλες στο χωροχρόνο, το τετραδιάστατο ύφασμα του σύμπαντος, αλλά η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή στις μαύρες τρύπες που ο χωροχρόνος Το ύφασμα λυγίζει προς το σημείο θραύσης του — η απείρως πυκνή «μοναδικότητα» στο κέντρο της μαύρης τρύπας.
Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η εσωτερική βαρυτική κατάρρευση δεν σταματά ποτέ. Παρόλο που, εξωτερικά, η μαύρη τρύπα φαίνεται να παραμένει σταθερό μέγεθος, επεκτείνοντας ελαφρώς μόνο όταν πέφτουν νέα πράγματα μέσα της, ο εσωτερικός όγκος της μεγαλώνει όλο και περισσότερο καθώς ο χώρος εκτείνεται προς το κεντρικό σημείο. Για μια απλοποιημένη εικόνα αυτής της αιώνιας ανάπτυξης, φανταστείτε μια μαύρη τρύπα ως μια χοάνη που εκτείνεται προς τα κάτω από ένα δισδιάστατο φύλλο που αντιπροσωπεύει το ύφασμα του χωροχρόνου. Η χοάνη γίνεται όλο και πιο βαθιά, έτσι ώστε τα πράγματα να μην φτάνουν ποτέ στη μυστηριώδη μοναδικότητα στο κάτω μέρος. Στην πραγματικότητα, μια μαύρη τρύπα είναι μια χοάνη που εκτείνεται προς τα μέσα και από τις τρεις χωρικές κατευθύνσεις. Ένα σφαιρικό όριο το περιβάλλει και ονομάζεται "ορίζων γεγονότων", σηματοδοτώντας το σημείο χωρίς επιστροφή.
Τουλάχιστον από τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί έχουν αναγνωρίσει ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να είναι πραγματικά κβαντικά συστήματα κάποιου είδους - όπως όλα τα άλλα στο σύμπαν. Αυτό που η θεωρία του Αϊνστάιν περιγράφει ως στρεβλό χωροχρόνο στο εσωτερικό είναι πιθανώς πραγματικά μια συλλογική κατάσταση τεράστιου αριθμού σωματιδίων βαρύτητας που ονομάζονται «γκραβιτόνια», που περιγράφεται από την αληθινή κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Σε αυτήν την περίπτωση, όλες οι γνωστές ιδιότητες μιας μαύρης τρύπας θα πρέπει να εντοπίζονται στις ιδιότητες αυτού του κβαντικού συστήματος.
Πράγματι, το 1972, ο Ισραηλινός φυσικός Jacob Bekenstein διαπίστωσε ότι η περιοχή του σφαιρικού ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας αντιστοιχεί στην «εντροπία» της. Αυτός είναι ο αριθμός των διαφορετικών πιθανών μικροσκοπικών διατάξεων όλων των σωματιδίων μέσα στη μαύρη τρύπα ή, όπως θα το περιέγραφαν οι σύγχρονοι θεωρητικοί, η ικανότητα αποθήκευσης πληροφοριών της μαύρης τρύπας.
Η διορατικότητα του Bekenstein οδήγησε τον Stephen Hawking να συνειδητοποιήσει δύο χρόνια αργότερα ότι οι μαύρες τρύπες έχουν θερμοκρασίες και ότι επομένως εκπέμπουν θερμότητα. Αυτή η ακτινοβολία κάνει τις μαύρες τρύπες να εξατμίζονται αργά, προκαλώντας το πολυσυζητημένο «παράδοξο πληροφοριών για τις μαύρες τρύπες», το οποίο ρωτά τι συμβαίνει με τις πληροφορίες που πέφτουν σε μαύρες τρύπες. Η κβαντομηχανική λέει ότι το σύμπαν διατηρεί όλες τις πληροφορίες για το παρελθόν. Αλλά πώς εξατμίζονται επίσης οι πληροφορίες σχετικά με την πτώση αντικειμένων, που φαίνεται να ολισθαίνουν για πάντα προς την κεντρική μοναδικότητα;
Η σχέση μεταξύ της επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας και του περιεχομένου πληροφοριών της έχει κρατήσει απασχολημένους τους ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας για δεκαετίες. Θα μπορούσε όμως να αναρωτηθεί κανείς:Σε τι αντιστοιχεί ο αυξανόμενος όγκος του εσωτερικού του, σε κβαντικούς όρους; «Για οποιονδήποτε λόγο, κανείς, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού μου επί σειρά ετών, δεν σκέφτηκε πραγματικά πολύ τι σημαίνει αυτό», είπε ο Susskind. «Τι είναι αυτό που μεγαλώνει; Αυτό θα έπρεπε να ήταν ένα από τα κορυφαία παζλ της φυσικής της μαύρης τρύπας.»
Τα τελευταία χρόνια, με την άνοδο των κβαντικών υπολογιστών, οι φυσικοί έχουν αποκτήσει νέες γνώσεις σχετικά με τα φυσικά συστήματα όπως οι μαύρες τρύπες, μελετώντας τις ικανότητές τους στην επεξεργασία πληροφοριών - σαν να ήταν κβαντικοί υπολογιστές. Αυτή η γωνία οδήγησε τον Susskind και τους συνεργάτες του να εντοπίσουν έναν υποψήφιο για την εξελισσόμενη κβαντική ιδιότητα των μαύρων οπών που βρίσκεται κάτω από τον αυξανόμενο όγκο τους. Αυτό που αλλάζει, λένε οι θεωρητικοί, είναι η «πολυπλοκότητα» της μαύρης τρύπας - περίπου ένα μέτρο του αριθμού των υπολογισμών που θα χρειαζόταν για να ανακτηθεί η αρχική κβαντική κατάσταση της μαύρης τρύπας, τη στιγμή που σχηματίστηκε. Μετά το σχηματισμό της, καθώς τα σωματίδια μέσα στη μαύρη τρύπα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, οι πληροφορίες για την αρχική τους κατάσταση γίνονται όλο και πιο ανακατεμένες. Κατά συνέπεια, η πολυπλοκότητά τους αυξάνεται συνεχώς.
Χρησιμοποιώντας μοντέλα παιχνιδιών που αντιπροσωπεύουν τις μαύρες τρύπες ως ολογράμματα, ο Susskind και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η πολυπλοκότητα και ο όγκος των μαύρων οπών αυξάνονται με τον ίδιο ρυθμό, υποστηρίζοντας την ιδέα ότι η μία μπορεί να βρίσκεται κάτω από την άλλη. Και, ενώ ο Bekenstein υπολόγισε ότι οι μαύρες τρύπες αποθηκεύουν τη μέγιστη δυνατή ποσότητα πληροφοριών δεδομένης της επιφάνειας τους, τα ευρήματα του Susskind υποδηλώνουν ότι αυξάνονται επίσης σε πολυπλοκότητα με τον ταχύτερο δυνατό ρυθμό που επιτρέπεται από τους φυσικούς νόμους.
Ο John Preskill, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια που μελετά επίσης τις μαύρες τρύπες χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πληροφοριών, βρίσκει την ιδέα του Susskind πολύ ενδιαφέρουσα. «Είναι πολύ ωραίο που αυτή η έννοια της υπολογιστικής πολυπλοκότητας, η οποία είναι κάτι που μπορεί να σκεφτεί ένας επιστήμονας υπολογιστών και δεν είναι μέρος του συνηθισμένου τεχνικού τεχνικού», είπε ο Preskill, «θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε κάτι που είναι πολύ φυσικό για κάποιον. ποιος ξέρει τη γενική σχετικότητα για να σκεφτεί», δηλαδή την ανάπτυξη των εσωτερικών χώρων της μαύρης τρύπας.
Οι ερευνητές εξακολουθούν να προβληματίζονται σχετικά με τις επιπτώσεις της διατριβής του Susskind. Ο Aron Wall, θεωρητικός στο Stanford (σύντομα μετακομίζει στο Πανεπιστήμιο του Cambridge), είπε:«Η πρόταση, αν και συναρπαστική, εξακολουθεί να είναι μάλλον εικαστική και μπορεί να μην είναι σωστή». Μια πρόκληση είναι ο καθορισμός της πολυπλοκότητας στο πλαίσιο των μαύρων τρυπών, είπε ο Wall, προκειμένου να διευκρινιστεί πώς η πολυπλοκότητα των κβαντικών αλληλεπιδράσεων μπορεί να οδηγήσει σε χωρικό όγκο.
Ένα πιθανό μάθημα, σύμφωνα με τον Ντάγκλας Στάνφορντ, ειδικός στις μαύρες τρύπες στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, «είναι ότι οι μαύρες τρύπες έχουν έναν τύπο εσωτερικού ρολογιού που κρατά τον χρόνο για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Για ένα συνηθισμένο κβαντικό σύστημα», είπε, «αυτή είναι η πολυπλοκότητα της κατάστασης. Για μια μαύρη τρύπα, είναι το μέγεθος της περιοχής πίσω από τον ορίζοντα.»
Εάν η πολυπλοκότητα όντως βασίζεται στον χωρικό όγκο στις μαύρες τρύπες, ο Susskind οραματίζεται τις συνέπειες για την κατανόησή μας για την κοσμολογία γενικά. «Δεν είναι μόνο οι εσωτερικοί χώροι των μαύρων τρυπών που μεγαλώνουν με το χρόνο. Ο χώρος της κοσμολογίας μεγαλώνει με το χρόνο», είπε. «Νομίζω ότι είναι μια πολύ, πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση εάν η κοσμολογική ανάπτυξη του διαστήματος συνδέεται με την ανάπτυξη κάποιου είδους πολυπλοκότητας. Και αν το κοσμικό ρολόι, η εξέλιξη του σύμπαντος, συνδέεται με την εξέλιξη της πολυπλοκότητας. Εκεί, δεν ξέρω την απάντηση."
