Τα παράδοξα της μαύρης τρύπας αποκαλύπτουν μια θεμελιώδη σύνδεση μεταξύ ενέργειας και τάξης
«Στους φυσικούς αρέσει να διερευνούν το ακραίο», είπε ο Garrett Goon, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon. "Το γεγονός ότι δεν μπορείς να προχωρήσεις παραπέρα, ότι κάτι αλλάζει, κάτι σε εμποδίζει — κάτι ενδιαφέρον συμβαίνει εκεί."
Για δεκαετίες, οι μαύρες τρύπες έπαιξαν τον πρωταρχικό ρόλο στα πειράματα σκέψης που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να διερευνήσουν τα άκρα της φύσης. Αυτές οι αόρατες σφαίρες σχηματίζονται όταν η ύλη συγκεντρώνεται τόσο πολύ που τα πάντα σε μια ορισμένη απόσταση, ακόμα και το φως, παγιδεύονται από τη βαρύτητα της. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξίσωσε τη δύναμη της βαρύτητας με τις καμπύλες στο χωροχρονικό συνεχές, αλλά η καμπυλότητα αυξάνεται τόσο ακραία κοντά στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας που οι εξισώσεις του Αϊνστάιν σπάνε. Έτσι, γενιές φυσικών έχουν κοιτάξει στις μαύρες τρύπες για ενδείξεις σχετικά με την αληθινή, κβαντική προέλευση της βαρύτητας, η οποία πρέπει να αποκαλυφθεί πλήρως στις καρδιές τους και να ταιριάζει με την κατά προσέγγιση εικόνα του Αϊνστάιν οπουδήποτε αλλού.
Η υδραυλική μαύρη τρύπα για γνώση της κβαντικής βαρύτητας ξεκίνησε από τον Stephen Hawking. Το 1974, ο Βρετανός φυσικός υπολόγισε ότι το κβαντικό τρεμόπαιγμα στις επιφάνειες των μαύρων οπών τις κάνει να εξατμίζονται, συρρικνώνοντας αργά καθώς εκπέμπουν θερμότητα. Η εξάτμιση της μαύρης τρύπας ενημέρωσε έκτοτε την έρευνα για την κβαντική βαρύτητα.
Πιο πρόσφατα, οι φυσικοί εξέτασαν το άκρο του ακραίου — οντότητες που ονομάζονται ακραίες μαύρες τρύπες — και βρήκαν ένα γόνιμο νέο πρόβλημα.
Οι μαύρες τρύπες φορτίζονται ηλεκτρικά όταν πέφτουν φορτισμένα αντικείμενα μέσα τους. Οι φυσικοί υπολογίζουν ότι οι μαύρες τρύπες έχουν ένα «ακραίο όριο», ένα σημείο κορεσμού όπου αποθηκεύουν όσο το δυνατόν περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο ανάλογα με το μέγεθός τους. Όταν μια φορτισμένη μαύρη τρύπα εξατμίζεται και συρρικνώνεται με τον τρόπο που περιγράφει ο Χόκινγκ, θα φτάσει τελικά σε αυτό το ακραίο όριο. Τότε είναι όσο μικρότερο μπορεί να γίνει, δεδομένου του πόσο φορτισμένο είναι. Δεν μπορεί να εξατμιστεί περαιτέρω.
Αλλά η ιδέα ότι μια ακραία μαύρη τρύπα «σταματά να ακτινοβολεί και απλώς κάθεται εκεί» είναι απίθανη, είπε ο Grant Remmen, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Σε αυτή την περίπτωση, το σύμπαν του απώτερου μέλλοντος θα είναι γεμάτο με μικροσκοπικά, άφθαρτα υπολείμματα μαύρης τρύπας - τα υπολείμματα οποιωνδήποτε μαύρων τρυπών που φέρουν έστω και ένα άγγιγμα φορτίου, αφού όλες θα γίνουν ακραίες αφού εξατμιστούν αρκετά. Δεν υπάρχει καμία θεμελιώδης αρχή που να προστατεύει αυτές τις μαύρες τρύπες, επομένως οι φυσικοί δεν πιστεύουν ότι θα πρέπει να διαρκέσουν για πάντα.
Λοιπόν, «υπάρχει μια ερώτηση», είπε η Sera Cremonini του Πανεπιστημίου Lehigh:«Τι συμβαίνει με όλες αυτές τις ακραίες μαύρες τρύπες;»
Οι φυσικοί υποψιάζονται έντονα ότι οι ακραίες μαύρες τρύπες πρέπει να διασπαστούν, επιλύοντας το παράδοξο, αλλά από κάποια άλλη οδό εκτός από την εξάτμιση του Χόκινγκ. Η διερεύνηση των πιθανοτήτων έχει οδηγήσει τους ερευνητές τα τελευταία χρόνια σε σημαντικές ενδείξεις σχετικά με την κβαντική βαρύτητα.
Τέσσερις φυσικοί συνειδητοποίησαν το 2006 ότι εάν οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν να διασπαστούν, αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα πρέπει να είναι η πιο αδύναμη δύναμη σε οποιοδήποτε δυνατό σύμπαν, μια ισχυρή δήλωση για τη σχέση της κβαντικής βαρύτητας με τις άλλες κβαντικές δυνάμεις. Αυτό το συμπέρασμα έφερε μεγαλύτερο έλεγχο στη μοίρα των ακραίων μαύρων τρυπών.
Στη συνέχεια, πριν από δύο χρόνια, ο Remmen και οι συνεργάτες Clifford Cheung και Junyu Liu του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια ανακάλυψαν ότι το αν οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν να διασπαστούν εξαρτάται άμεσα από μια άλλη βασική ιδιότητα των μαύρων οπών:την εντροπία τους - ένα μέτρο του πόσους διαφορετικούς τρόπους έχει ένα αντικείμενο. τα συστατικά μέρη μπορούν να αναδιαταχθούν. Η εντροπία είναι ένα από τα πιο μελετημένα χαρακτηριστικά των μαύρων τρυπών, αλλά δεν θεωρήθηκε ότι έχει καμία σχέση με το ακραίο όριο τους. "Είναι σαν, ουάου, εντάξει, δύο πολύ ωραία πράγματα συνδέονται", είπε ο Cheung.
Στην τελευταία έκπληξη, αυτός ο σύνδεσμος αποδεικνύεται ότι αποτελεί παράδειγμα ενός γενικού γεγονότος για τη φύση. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον Μάρτιο στο Physical Review Letters , ο Goon και ο Riccardo Penco διεύρυναν τα μαθήματα της προηγούμενης εργασίας αποδεικνύοντας έναν απλό, καθολικό τύπο που σχετίζεται με την ενέργεια και την εντροπία. Ο νέος τύπος ισχύει για ένα σύστημα όπως ένα αέριο καθώς και μια μαύρη τρύπα.
Με τους πρόσφατους υπολογισμούς, «πραγματικά μαθαίνεις για την κβαντική βαρύτητα», είπε ο Γκουν. "Αλλά ίσως ακόμα πιο ενδιαφέρον, μαθαίνετε κάτι για περισσότερα καθημερινά πράγματα."
Μαύρες τρύπες στα άκρα
Οι φυσικοί βλέπουν πολύ εύκολα ότι οι φορτισμένες μαύρες τρύπες φτάνουν σε ένα ακραίο όριο. Όταν συνδυάζουν τις εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν και τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού, υπολογίζουν ότι το φορτίο μιας μαύρης τρύπας, Q , δεν μπορεί ποτέ να ξεπεράσει τη μάζα του, M , όταν και οι δύο μετατρέπονται στις ίδιες θεμελιώδεις μονάδες. Μαζί, η μάζα και το φορτίο της μαύρης τρύπας καθορίζουν το μέγεθός της - την ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων. Εν τω μεταξύ, το φορτίο της μαύρης τρύπας δημιουργεί επίσης έναν δεύτερο, «εσωτερικό» ορίζοντα, κρυμμένο πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων. Ως Q αυξάνεται, ο εσωτερικός ορίζοντας της μαύρης τρύπας διευρύνεται ενώ ο ορίζοντας γεγονότων συστέλλεται μέχρι, στο Q =Μ , οι δύο ορίζοντες συμπίπτουν.
Αν Q αυξανόμενη περαιτέρω, η ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων θα γινόταν ένας μιγαδικός αριθμός (που περιλαμβάνει την τετραγωνική ρίζα ενός αρνητικού αριθμού), αντί για έναν πραγματικό. Αυτό είναι αντιφυσικό. Έτσι, σύμφωνα με μια απλή σύνθεση της θεωρίας του 19ου αιώνα του James Clerk Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα του Αϊνστάιν, Q =Μ πρέπει να είναι το όριο.
Όταν μια μαύρη τρύπα φτάσει σε αυτό το σημείο, μια απλή επιλογή για περαιτέρω αποσύνθεση θα ήταν να χωριστεί σε δύο μικρότερες μαύρες τρύπες. Ωστόσο, για να συμβεί μια τέτοια διάσπαση, οι νόμοι της διατήρησης της ενέργειας και της διατήρησης του φορτίου απαιτούν ότι ένα από τα θυγατρικά αντικείμενα πρέπει να καταλήξει με περισσότερο φορτίο από μάζα. Αυτό, σύμφωνα με τον Einstein-Maxwell, είναι αδύνατο.
Αλλά μπορεί να υπάρχει τρόπος για τις ακραίες μαύρες τρύπες να χωριστούν στα δύο τελικά, όπως επεσήμαναν οι Nima Arkani-Hamed, Lubos Motl, Alberto Nicolis και Cumrun Vafa το 2006. Παρατήρησαν ότι οι συνδυασμένες εξισώσεις του Einstein και του Maxwell δεν λειτουργούν Καλό για μικρές, έντονα κυρτές μαύρες τρύπες. Σε μικρότερες κλίμακες, πρόσθετες λεπτομέρειες που σχετίζονται με τις κβαντομηχανικές ιδιότητες της βαρύτητας γίνονται πιο σημαντικές. Αυτές οι λεπτομέρειες συνεισφέρουν διορθώσεις στις εξισώσεις Einstein-Maxwell, αλλάζοντας την πρόβλεψη του ακραίου ορίου. Οι τέσσερις φυσικοί έδειξαν ότι όσο μικρότερη είναι η μαύρη τρύπα, τόσο πιο σημαντικές γίνονται οι διορθώσεις, με αποτέλεσμα το ακραίο όριο να απομακρύνεται όλο και περισσότερο από το Q =Μ .
Οι ερευνητές τόνισαν επίσης ότι εάν οι διορθώσεις έχουν το σωστό πρόσημο — θετικό παρά αρνητικό — τότε οι μικρές μαύρες τρύπες μπορούν να συσκευάσουν περισσότερο φορτίο παρά μάζα. Για αυτούς, Q> Μ , το οποίο είναι ακριβώς αυτό που χρειάζεται για τη διάσπαση των μεγάλων ακραίων μαύρων τρυπών.
Αν ισχύει αυτό, τότε όχι μόνο οι μαύρες τρύπες μπορούν να διασπαστούν, αλλά οι Arkani-Hamed, Motl, Nicolis και Vafa έδειξαν ότι ακολουθεί και ένα άλλο γεγονός για τη φύση:Η βαρύτητα πρέπει να είναι η πιο αδύναμη δύναμη. Φόρτιση αντικειμένου, Q , είναι η ευαισθησία του σε οποιαδήποτε άλλη δύναμη εκτός από τη βαρύτητα. Η μάζα του, M , είναι η ευαισθησία του στη βαρύτητα. Οπότε Q> Μ σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις δύο.
Από την υπόθεσή τους ότι οι μαύρες τρύπες θα έπρεπε να μπορούν να διασπώνται, οι τέσσερις φυσικοί έκαναν μια πιο σαρωτική εικασία ότι η βαρύτητα πρέπει να είναι η πιο αδύναμη δύναμη σε οποιοδήποτε βιώσιμο σύμπαν. Με άλλα λόγια, αντικείμενα με Q> Μ θα υπάρχει πάντα, για κάθε είδους χρέωση Q , είτε τα αντικείμενα είναι σωματίδια όπως ηλεκτρόνια (τα οποία, πράγματι, έχουν πολύ περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο από μάζα) είτε μικρές μαύρες τρύπες.
Αυτή η «εικασία ασθενούς βαρύτητας» έχει αποκτήσει τεράστια επιρροή, υποστηρίζοντας μια σειρά από άλλες ιδέες για την κβαντική βαρύτητα. Αλλά οι Arkani-Hamed, Motl, Nicolis και Vafa δεν απέδειξαν ότι Q> Μ , ή ότι οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν να διασπαστούν. Οι διορθώσεις της κβαντικής βαρύτητας στο ακραίο όριο μπορεί να είναι αρνητικές, οπότε οι μικρές μαύρες τρύπες μπορούν να φέρουν ακόμη λιγότερο φορτίο ανά μονάδα μάζας από τις μεγάλες. Οι ακραίες μαύρες τρύπες δεν θα διασπώνται και η εικασία ασθενούς βαρύτητας δεν θα ισχύει.
Όλα αυτά σήμαιναν ότι οι ερευνητές έπρεπε να καταλάβουν ποιο είναι στην πραγματικότητα το σημάδι των διορθώσεων της κβαντικής βαρύτητας.
Διαταραχή παντού
Το θέμα των διορθώσεων κβαντικής βαρύτητας έχει προκύψει στο παρελθόν, σε μια άλλη, φαινομενικά άσχετη γραμμή μελέτης μαύρης τρύπας.
Πριν από σχεδόν 50 χρόνια, οι αείμνηστοι φυσικοί Jacob Bekenstein και Stephen Hawking ανακάλυψαν ανεξάρτητα ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας είναι ευθέως ανάλογη με το εμβαδόν της επιφάνειάς της. Η εντροπία, που συνήθως θεωρείται ως μέτρο αταξίας, μετράει τον αριθμό των τρόπων με τους οποίους μπορούν να αναδιαταχθούν τα εσωτερικά μέρη ενός αντικειμένου χωρίς καμία αλλαγή στη συνολική του κατάσταση. (Εάν ένα δωμάτιο είναι ακατάστατο ή υψηλή εντροπία, για παράδειγμα, μπορείτε να μετακινήσετε αντικείμενα τυχαία και θα παραμείνει ακατάστατο· αντίθετα, εάν ένα δωμάτιο είναι τακτοποιημένο ή χαμηλής εντροπίας, η κίνηση των πραγμάτων θα το κάνει λιγότερο τακτοποιημένο.) Χτίζοντας μια γέφυρα μεταξύ της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας, η οποία αφορά τα εσωτερικά μικροσκοπικά συστατικά της, και το εμβαδόν της γεωμετρικής επιφάνειάς της, ο νόμος της περιοχής εντροπίας του Bekenstein και του Hawking έχει γίνει ένα από τα ισχυρότερα θεμέλια των φυσικών για τη μελέτη των μαύρων οπών και της κβαντικής βαρύτητας.
Ο Bekenstein και ο Hawking συνήγαγαν τον νόμο τους εφαρμόζοντας τις εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν (μαζί με τους νόμους της θερμοδυναμικής) στην επιφάνεια της μαύρης τρύπας. Αντιμετώπισαν αυτήν την επιφάνεια ως λεία και αγνόησαν οποιαδήποτε δομή υπάρχει σε μικρές αποστάσεις.
Το 1993, ο φυσικός Ρόμπερτ Γουόλντ του Πανεπιστημίου του Σικάγο έδειξε ότι είναι δυνατό να τα καταφέρουμε καλύτερα. Ο Wald βρήκε έξυπνα κόλπα για να συμπεράνει τα μικρά αποτελέσματα που προέρχονται από πιο μικροσκοπικά επίπεδα πραγματικότητας, χωρίς να γνωρίζει ποια είναι η πλήρης περιγραφή αυτού του βαθύτερου επιπέδου πραγματικότητας. Η τακτική του, που πρωτοστάτησε σε ένα διαφορετικό πλαίσιο από τον θεωρητικό φυσικό Kenneth Wilson, ήταν να καταγράψει κάθε πιθανό φυσικό αποτέλεσμα. Στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, ο Wald έδειξε πώς να προσθέσετε μια σειρά από επιπλέον όρους - οποιουσδήποτε όρους έχουν τις σωστές διαστάσεις και μονάδες, κατασκευασμένοι από όλες τις φυσικώς σχετικές μεταβλητές - που θα μπορούσαν να περιγράφουν τις άγνωστες ιδιότητες μικρής απόστασης της επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας. "Μπορείτε να γράψετε το πιο γενικό σύνολο όρων που θα μπορούσατε να έχετε κατ 'αρχήν που περιγράφουν καμπυλότητες [μαύρης τρύπας] συγκεκριμένου μεγέθους", είπε ο Cremonini.
Ευτυχώς, η σειρά μπορεί να περικοπεί μετά τους πρώτους πολλούς όρους, καθώς τα όλο και πιο περίπλοκα σύνθετα πολλών μεταβλητών συμβάλλουν ελάχιστα στην τελική απάντηση. Ακόμη και πολλοί από τους κορυφαίους όρους της σειράς μπορούν να διαγραφούν επειδή έχουν λανθασμένες συμμετρίες ή παραβιάζουν τους όρους συνέπειας. Αυτό αφήνει μόνο μερικούς όρους οποιασδήποτε σημασίας που τροποποιούν τις εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν. Η επίλυση αυτών των νέων, πιο περίπλοκων εξισώσεων αποφέρει πιο ακριβείς ιδιότητες μαύρης τρύπας.
Ο Wald πέρασε από αυτά τα βήματα το 1993, υπολογίζοντας πώς τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα μικρής απόστασης διορθώνουν τον νόμο της περιοχής εντροπίας Bekenstein-Hawking. Αυτές οι διορθώσεις μετατοπίζουν την εντροπία μιας μαύρης τρύπας έτσι ώστε να μην είναι ακριβώς ανάλογη με το εμβαδόν. Και ενώ δεν είναι δυνατός ο ακριβής υπολογισμός της μετατόπισης της εντροπίας — εμπλέκονται μεταβλητές με άγνωστες τιμές — αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι οι διορθώσεις γίνονται πιο σημαντικές όσο μικρότερη είναι η μαύρη τρύπα, και επομένως και η μετατόπιση της εντροπίας.
Πριν από τρία χρόνια, οι Cheung, Liu και Remmen εφάρμοσαν την ίδια βασική προσέγγιση του Wald στη μελέτη των φορτισμένων μαύρων τρυπών και του ακραίου ορίου. Τροποποίησαν τις εξισώσεις Einstein-Maxwell με μια σειρά επιπλέον όρων που προέρχονται από εφέ μικρής απόστασης και έλυσαν τις νέες εξισώσεις για να υπολογίσουν το νέο, διορθωμένο ακραίο όριο. Προς έκπληξή τους, αναγνώρισαν την απάντηση:Οι διορθώσεις στο ακραίο όριο μιας φορτισμένης μαύρης τρύπας ταιριάζουν ακριβώς με τις διορθώσεις στην εντροπία της, όπως υπολογίζεται από τον τύπο του Wald. Η κβαντική βαρύτητα μετατοπίζει απροσδόκητα και τις δύο ποσότητες με τον ίδιο τρόπο.
Ο Remmen θυμάται την ημερομηνία που ολοκλήρωσαν τον υπολογισμό - 30 Νοεμβρίου 2017 - «γιατί ήταν τόσο συναρπαστικό», είπε. "Αυτό είναι ένα πολύ βαθύ και συναρπαστικό πράγμα που αποδείξαμε, ότι αυτοί οι [επιπλέον] όροι δίνουν μια αλλαγή στην εντροπία και την ακρότητα που είναι ίσες μεταξύ τους."
Αλλά οι αντίστοιχες αλλαγές πηγαίνουν προς τη σωστή κατεύθυνση; Και οι δύο διορθώσεις εξαρτώνται από απροσδιόριστες μεταβλητές, επομένως θα μπορούσαν κατ' αρχήν να είναι είτε θετικές είτε αρνητικές. Στην εργασία τους του 2018, ο Cheung και η εταιρεία υπολόγισαν ότι η μετατόπιση της εντροπίας είναι θετική σε μια μεγάλη κατηγορία σεναρίων και μοντέλων κβαντικής βαρύτητας. Υποστηρίζουν ότι έχει επίσης διαισθητικό νόημα η μετατόπιση της εντροπίας να είναι θετική. Θυμηθείτε ότι η εντροπία μετρά όλες τις διαφορετικές πιθανές εσωτερικές καταστάσεις μιας μαύρης τρύπας. Φαίνεται λογικό ότι ο υπολογισμός περισσότερων μικροσκοπικών λεπτομερειών της επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας θα αποκάλυπτε νέες πιθανές καταστάσεις και έτσι θα οδηγήσει σε περισσότερη εντροπία παρά σε λιγότερη. "Η πιο αληθινή θεωρία θα έχει περισσότερες μικροκαταστάσεις", είπε ο Remmen.
Αν ναι, τότε η μετατόπιση του ακραίου ορίου είναι επίσης θετική, επιτρέποντας σε μικρότερες μαύρες τρύπες να αποθηκεύουν περισσότερο φορτίο ανά μάζα. Σε αυτή την περίπτωση, «οι μαύρες τρύπες μπορούν πάντα να διασπαστούν σε ελαφρύτερες», είπε ο Cheung, και «η εικασία ασθενούς βαρύτητας είναι αληθινή».
Αλλά άλλοι ερευνητές τονίζουν ότι αυτά τα ευρήματα δεν αποτελούν ξεκάθαρη απόδειξη της ασθενούς εικασίας βαρύτητας. Ο Gary Shiu, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, είπε ότι η πεποίθηση ότι η εντροπία πρέπει πάντα να αυξάνεται όταν λαμβάνεται υπόψη η κβαντική βαρύτητα είναι «μια διαίσθηση που μπορεί να έχουν κάποιοι, αλλά δεν είναι πάντα αλήθεια».
Ο Shiu έχει εντοπίσει αντιπαραδείγματα:μη ρεαλιστικά μοντέλα κβαντικής βαρύτητας στα οποία, μέσω ακυρώσεων, τα φαινόμενα μικρής απόστασης μειώνουν την εντροπία των μαύρων τρυπών. Αυτά τα μοντέλα παραβιάζουν την αιτιότητα ή άλλες αρχές, αλλά το θέμα, σύμφωνα με τον Shiu, είναι ότι η νέα σύνδεση με την εντροπία δεν αποδεικνύει από μόνη της ότι οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν πάντα να διασπώνται ή ότι η βαρύτητα είναι πάντα η πιο αδύναμη δύναμη.
«Το να μπορέσουμε να αποδείξουμε [την εικασία ασθενούς βαρύτητας] θα ήταν φανταστικό», είπε ο Shiu. "Αυτός είναι ένας μεγάλος λόγος που εξακολουθούμε να σκεφτόμαστε αυτό το πρόβλημα."
Το Απαγορευμένο Βάλτο
Η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν μας. Η εικασία ασθενούς βαρύτητας λέει ότι δεν θα μπορούσε να ήταν διαφορετικά. Εκτός από το σύμπαν μας, η εικασία φαίνεται επίσης να ισχύει σε όλα τα πιθανά θεωρητικά σύμπαντα που προέρχονται από τη θεωρία χορδών. Ένας υποψήφιος για την κβαντική θεωρία της βαρύτητας, η θεωρία χορδών υποστηρίζει ότι τα σωματίδια δεν είναι σημεία αλλά μάλλον εκτεταμένα αντικείμενα (με το ψευδώνυμο χορδές) και ότι ο χωροχρόνος, σε κοντινή απόσταση, έχει επίσης επιπλέον διαστάσεις. Όταν οι θεωρητικοί χορδών καταγράφουν διαφορετικά σύνολα χορδών που θα μπορούσαν να ορίσουν ένα σύμπαν, βρίσκουν πάντα ότι η βαρύτητα - η οποία προκύπτει από έναν τύπο χορδών - είναι η πιο αδύναμη δύναμη σε αυτά τα πρότυπα σύμπαντα. «Το να βλέπεις πώς καταλήγει αυτό να διαφαίνεται κάθε περίπτωση σε περίπτωση σε περίπτωση είναι πολύ εντυπωσιακό», δήλωσε ο Χόρχε Σάντος, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ και στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ.
Η εικασία ασθενούς βαρύτητας είναι μια από τις πιο σημαντικές σε ένα δίκτυο «εικασιών για βάλτους» που τέθηκαν από φυσικούς τις τελευταίες δύο δεκαετίες — εικασιακές δηλώσεις, βασισμένες σε πειράματα σκέψης και παραδείγματα, σχετικά με το τι είδους σύμπαντα είναι και τι δεν είναι δυνατά. Αποκλείοντας πιθανότητες (βάζοντας αδύνατα σύμπαντα σε έναν απαγορευμένο «βάλτο»), οι θεωρητικοί των βαλτοτοπίων στοχεύουν να διευκρινίσουν γιατί το σύμπαν μας είναι όπως είναι.
Εάν οι ερευνητές μπορούσαν να αποδείξουν ότι η βαρύτητα είναι αναπόφευκτα πιο αδύναμη (και ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν πάντα να διασπώνται), η πιο σημαντική συνέπεια, σύμφωνα με τον Σάντος, είναι ότι σημαίνει ότι η κβαντική βαρύτητα «πρέπει να είναι μια θεωρία ενοποίησης». Δηλαδή, εάν Q και M πρέπει να έχουν μια σταθερή αναλογία, οι συναφείς δυνάμεις τους πρέπει να αποτελούν μέρος του ίδιου ενοποιημένου μαθηματικού πλαισίου. Ο Σάντος σημείωσε ότι «η μόνη θεωρία εκεί έξω» που ενοποιεί τις θεμελιώδεις δυνάμεις σε ένα ενιαίο πλαίσιο είναι η θεωρία χορδών. Αντίπαλες προσεγγίσεις όπως η κβαντική βαρύτητα βρόχου επιχειρούν να κβαντίσουν τη βαρύτητα διαιρώντας το χωροχρόνο σε κομμάτια, χωρίς να συνδέουν τη βαρύτητα με τις άλλες δυνάμεις. "Εάν η εικασία ασθενούς βαρύτητας είναι σωστή, πράγματα όπως η κβαντική βαρύτητα βρόχου είναι νεκρή", είπε ο Santos.
Ο Jorge Pullin, θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας βρόχου στο κρατικό πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα, βλέπει τη λέξη "νεκρό" τόσο πολύ δυνατή. Η ίδια η προσέγγιση θα μπορούσε να είναι μέρος μιας ευρύτερης ενοποιημένης θεωρίας, είπε:«Η κβαντική βαρύτητα βρόχου δεν αποκλείει μια δομή ενοποίησης, αλλά δεν την έχουμε επιδιώξει ακόμη».
Η εικασία ασθενούς βαρύτητας επίσης ενισχύει αμοιβαία αρκετές άλλες εικασίες για βαλτότοπο, συμπεριλαμβανομένων δηλώσεων σχετικά με τους ρόλους της συμμετρίας και της απόστασης στην κβαντική βαρύτητα. Σύμφωνα με τον Shiu, η λογική σύνδεση μεταξύ αυτών των εικασιών «μας δίνει κάποια σιγουριά ότι παρόλο που αυτές οι δηλώσεις γίνονται με μια εικαστική έννοια, μπορεί να υπάρχει παγκόσμια αλήθεια πίσω από αυτές».
Ο Σίου συνέκρινε την τρέχουσα, εικαστική κατανόησή μας για την κβαντική βαρύτητα με τις πρώτες μέρες της κβαντικής μηχανικής. «Υπήρχαν πολλές εικασίες, πολλά άλματα πίστης σχετικά με το ποια είναι η σωστή θεωρία του υποατομικού κόσμου», είπε. "Τελικά πολλές από αυτές τις εικασίες αποδείχτηκαν μέρος αυτής της πολύ μεγαλύτερης εικόνας."
Παγκόσμια ενέργεια και διαταραχή
Η πρόσφατη έρευνα μπορεί να έχει επιπτώσεις πέρα από τις μαύρες τρύπες και την κβαντική βαρύτητα.
Στην εργασία τους τον Μάρτιο, οι Goon και Penco επανέλαβαν τον υπολογισμό της εντροπίας της μαύρης τρύπας και των διορθώσεων του ακραίου. Αντί να χρησιμοποιούν τη γλώσσα της βαρύτητας και τη γεωμετρία της επιφάνειας της μαύρης τρύπας, υπολόγισαν τις διορθώσεις καθαρά από την άποψη των καθολικών θερμοδυναμικών μεγεθών όπως η ενέργεια και η θερμοκρασία. Αυτό τους επέτρεψε να ανακαλύψουν μια θερμοδυναμική σχέση μεταξύ ενέργειας και εντροπίας που ισχύει γενικά στη φύση.
«Είναι μια όμορφη σχέση», είπε ο Σάντος.
Στην περίπτωση των μαύρων οπών, ο τύπος του ντουέτου λέει αυτό που έχουν ήδη αποδείξει οι Cheung, Remmen και Liu:ότι η κβαντική βαρύτητα μετατοπίζει το ακραίο όριο των μαύρων οπών (επιτρέποντάς τους να αποθηκεύουν περισσότερο φορτίο ανά μάζα) και μετατοπίζει την εντροπία τους κατά ένα ανάλογο ποσό . Ένας άλλος τρόπος για να περιγράψουμε την επιπλέον χωρητικότητα αποθήκευσης που προέρχεται από την κβαντική βαρύτητα είναι ότι μια μαύρη τρύπα σταθερού φορτίου μπορεί να έχει μικρότερη μάζα. Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας, και έτσι αυτή η πτώση της μάζας μπορεί να θεωρηθεί γενικότερα ως μια μετατόπιση της ενέργειας — μια που είναι αντιστρόφως ανάλογη με μια μετατόπιση της εντροπίας.
Ενώ για μια μαύρη τρύπα, οι ίσες και αντίθετες μετατοπίσεις στην ενέργεια και την εντροπία προέρχονται από άγνωστες λεπτομέρειες της κβαντικής βαρύτητας, υπάρχει μια ισοδύναμη κατάσταση για οποιοδήποτε φυσικό σύστημα κοντά στο ακραίο όριό του.
Ένα αέριο, για παράδειγμα, γίνεται ακραίο όταν ψυχθεί στο απόλυτο μηδέν. Ο θερμοδυναμικός τύπος των Goon και Penco λέει ότι οποιεσδήποτε αλλαγές στη μικροσκοπική φυσική του αερίου, όπως ο τύπος των ατόμων που το αποτελούν, παράγουν ίσες και αντίθετες μετατοπίσεις στην ενέργεια και την εντροπία του. Ο Goon υπέθεσε ότι η σχέση μεταξύ ενέργειας και εντροπίας μπορεί να είναι χρήσιμη σε μελέτες υπερψυχρού αερίων και άλλων κρυογονικών πειραμάτων, «επειδή μερικές φορές το ένα είναι πιο εύκολο να υπολογιστεί από το άλλο».
Είτε αυτή η σχέση εντροπίας-ενέργειας αποδειχθεί ποτέ χρήσιμη στους γήινους τομείς της φυσικής, οι ερευνητές έχουν ακόμη πολλή δουλειά να κάνουν για να εξερευνήσουν τη νέα σύνδεση στο πλαίσιο των μαύρων τρυπών και τι σημαίνει για τη φύση της βαρύτητας.
"Το να μπορώ να απαντήσω, "Γιατί η βαρύτητα είναι αδύναμη;" είπε ο Cheung. «Το γεγονός ότι αυτή η ερώτηση είναι ακόμη και στο ταμπλό, το γεγονός ότι αυτή είναι μια ερώτηση στην οποία μπορεί κανείς να απαντήσει νόμιμα έξω από τη σφαίρα της φιλοσοφίας και το γεγονός ότι συνδέεται μέσω αυτής της μακρά διαδρομής προς την εντροπία, η οποία είναι σαν τη δοκιμασμένη αλήθεια, το πιο συναρπαστικό πράγμα για τις μαύρες τρύπες,… φαίνεται τρελό.»
Διόρθωση: 15 Ιουνίου 2020
Μια παλαιότερη έκδοση αυτού του άρθρου αναφερόταν στον «φυσικό της συμπυκνωμένης ύλης Kenneth Wilson». Ενώ ο Wilson κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για τη μελέτη των μεταπτώσεων φάσεων, το έργο του κάλυπτε πολλά πεδία, συμπεριλαμβανομένης και ιδιαίτερα της θεωρίας των σωματιδίων υψηλής ενέργειας.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις Wired.com και στο Spektrum.de.
