Μια νέα θεωρητική μελέτη υποδηλώνει ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να μην εξαφανίζονται ποτέ εντελώς, προσφέροντας ενδεχομένως έναν τρόπο επίλυσης του μακροχρόνιου παραδόξου της πληροφορίας των μαύρων τρυπών.
Ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής, γνωστό ως «το παράδοξο της πληροφορίας των μαύρων τρυπών», ίσως έχει επιτέλους μια πειστική λύση.
Η προτεινόμενη απάντηση θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην επεξήγηση της προέλευσης της μάζας των θεμελιωδών σωματιδίων.
Στη δεκαετία του 1970, ο Στίβεν Χόκινγκ έδειξε μέσω ημι-κλασικών υπολογισμών ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς μαύρες. Αντίθετα, εκπέμπουν μια ασθενή μορφή ακτινοβολίας που εξαντλεί αργά την ενέργειά τους μέχρι τελικά να εξαφανιστούν.
Αυτό δημιουργεί μια σοβαρή σύγκρουση με την κβαντομηχανική, επειδή φαίνεται να καταστρέφει την πληροφορία μόνιμα, παραβιάζοντας την αρχή της μοναδιατικότητας (unitarity). Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, η πληροφορία δεν μπορεί να διαγραφεί, ωστόσο η εξάτμιση της μαύρης τρύπας φαίνεται να κάνει ακριβώς αυτό.
Η νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό General Relativity and Gravitation, υπό την επικεφαλής ομάδα του Ρίτσαρντ Πίντσακ (Richard Pinčák), εισάγει μια πιθανή λύση βασισμένη στη γεωμετρία του χωροχρόνου των επιπλέον διαστάσεων.
Επιπλέον διαστάσεις και στρέψη του χωροχρόνου
Στη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο General Relativity and Gravitation, οι ερευνητές εξέτασαν τις επιδράσεις ενός μοντέλου βαρύτητας που ονομάζεται θεωρία Einstein-Cartan, σε ένα επταδιάστατο πλαίσιο βασισμένο σε μια μαθηματική δομή γνωστή ως πολλαπλότητα G2 με στρέψη.
Σε αντίθεση με την τυπική γενική σχετικότητα, αυτή η θεωρία επιτρέπει στον χωροχρόνο όχι μόνο να καμπυλώνεται, αλλά και να «στρίβει» μέσω μιας ιδιότητας που ονομάζεται στρέψη του χωροχρόνου.
Σε ακραίες πυκνότητες της κλίμακας Planck, η στρέψη δημιουργεί μια απωστική δύναμη που αποτρέπει τη βαρυτική κατάρρευση και αναστέλλει την τελική εξάτμιση Hawking. Αντί για πλήρη εξαφάνιση, η μαύρη τρύπα αφήνει ένα σταθερό υπόλειμμα με προβλεπόμενη μάζα περίπου 9*10-41 kg.
Αν μια μαύρη τρύπα δεν εξαφανίζεται ποτέ εντελώς, το ερώτημα που τίθεται είναι: τι συμβαίνει με την πληροφορία που μετέφερε οτιδήποτε έπεσε μέσα της; Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το σταθερό υπόλειμμα λειτουργεί ως ένα είδος αρχείου μνήμης. Η δομή του παρέχει έναν φυσικό μηχανισμό για τη διατήρηση της πληροφορίας μέσω ενός φάσματος «οιονεί κανονικών τρόπων ταλάντωσης» (quasi-normal modes).
Υπολείμματα Μαύρων Τρυπών ως Κβαντική Μνήμη
Σύμφωνα με την ομάδα, η κβαντική πληροφορία κωδικοποιείται μέσα στις μακράς διάρκειας «δονήσεις» του πεδίου στρέψης στο εσωτερικό του υπολείμματος. Οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι ένα υπόλειμμα που σχηματίζεται από μια μαύρη τρύπα με τη μάζα του Ήλιου θα μπορούσε να αποθηκεύσει περίπου 1.515*1077 qubits πληροφορίας, ποσότητα επαρκής για την επίλυση του παραδόξου.
Η μελέτη έχει επίσης σημαντικές προεκτάσεις για τη σωματιδιακή φυσική. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μείωση της γεωμετρίας από τις επτά διαστάσεις στις τέσσερις, που αντιστοιχεί στον παρατηρήσιμο χωρόχρονο, παράγει με φυσικό τρόπο την ηλεκτρασθενή κλίμακα (~246 GeV). Αυτή η κλίμακα είναι στενά συνδεδεμένη με το πεδίο Higgs, το οποίο δίνει στα στοιχειώδη σωματίδια τη μάζα τους.
Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, η τιμή αναμονής κενού (VEV) του πεδίου στρέψης συνδέεται δυναμικά με την ηλεκτρασθενή κλίμακα (περίπου 246 GeV). Με άλλα λόγια, το ίδιο γεωμετρικό φαινόμενο που εμποδίζει τις μαύρες τρύπες να εξατμιστούν πλήρως και διασώζει την πληροφορία, θα μπορούσε επίσης να προσφέρει μια γεωμετρική εξήγηση για το πρόβλημα της ιεραρχίας των μαζών στη σωματιδιακή φυσική.
Το πεδίο Higgs και η γεωμετρία της μάζας
Γιατί, λοιπόν, δεν έχει ανιχνευθεί καμία ένδειξη αυτών των επιπλέον διαστάσεων; Η απάντηση σχετίζεται με την ενέργεια. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα σωματίδια που συνδέονται με αυτές τις διαστάσεις, γνωστά ως διεγέρσεις Kaluza–Klein, θα είχαν μάζες περίπου 8,6 × 10¹⁵ GeV.
Αυτό είναι περίπου επτά τάξεις μεγέθους πέρα από τις δυνατότητες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Ωστόσο, το γεγονός ότι βρίσκονται εκτός της εμβέλειας των σημερινών επιταχυντών δεν σημαίνει ότι η θεωρία είναι αδύνατο να ελεγχθεί πειραματικά.
Το μοντέλο βασίζεται σε αυστηρές γεωμετρικές σχέσεις και παράγει σαφείς, διαψεύσιμες προβλέψεις. Μία πιθανότητα είναι ότι τα σταθερά κατάλοιπα μαύρων οπών (9 × 10⁻⁴¹ kg) θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης του σύμπαντος.
Η ανίχνευση των βαρυτικών επιδράσεων αυτών των «Πλανκικών καταλοίπων» (Planckian relics) θα αποτελούσε ισχυρή ένδειξη υπέρ της θεωρίας. Το μοντέλο ξεχωρίζει επίσης λόγω της μαθηματικής δομής που βρίσκεται πίσω από την πληροφορία η οποία αποθηκεύεται στις «ταλαντώσεις» των καταλοίπων (οι λεγόμενοι ημι-κανονικοί τρόποι ταλάντωσης, quasi-normal modes).
Επιπλέον, οι τεράστιες ενεργειακές κλίμακες που εμπλέκονται συνδέονται με το πολύ πρώιμο σύμπαν. Αυτό σημαίνει ότι ίχνη αυτής της επταδιάστατης γεωμετρίας θα μπορούσαν ενδεχομένως να εμφανίζονται στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (Cosmic Microwave Background – CMB) ή στα πρωτογενή βαρυτικά κύματα.
Συνδέοντας τις μαύρες τρύπες με το πεδίο Higgs, η έρευνα υποδηλώνει ότι η επίλυση του παραδόξου της πληροφορίας ενδέχεται να μην απαιτεί την αναθεώρηση της κβαντομηχανικής. Αντίθετα, δείχνει προς μια βαθύτερη, επταδιάστατη εικόνα για τη δομή της πραγματικότητας.
