Britanski znanstvenici otkrili su da crne rupe imaju zanimljivo svojstvo, koje bi moglo biti u skladu s predviđanjima slavnog fizičara Stephena Hawkinga.
Ono bi također moglo pomoći u objedinjavanju teorije relativnosti i kvantne mehanike te u rješavanju poznatog paradoksa nestanka informacija u crnim rupama.
Slučajno otkriće
Tijekom izvođenja jednadžbi za korekcije kvantne gravitacije za entropiju crne rupe fizičarski par otkrio je da crne rupe imaju određeni tlak na prostor oko sebe. Taj tlak je malen i negativan, što bi moglo biti posljedicom tzv. Hawkingovog zračenja. Naime, Hawking je predvidio da crne rupe emitiraju toplinsko zračenje, zbog čega bi morale imati određenu temperaturu, a također bi se s vremenom trebale smanjivati. Naravno, ako ostanu bez materijala kojima bi se mogle nastaviti hraniti.
Hawkingovo zračenje nastaje stalnom pretvorbom fluktuacija kvantnog vakuuma u parove čestica, od kojih jedna bježi iz crne rupe, dok druga ostaje zarobljena unutar njezinog horizonta događaja. Horizont događaja je granica koja omeđuje prostor oko crne rupe iz kojeg ništa, čak ni svjetlost, kada jednom upadne u njega, više ne može pobjeći. Poznato je da za svako masivno tijelo, poput Zemlje ili Mjeseca, postoji određena brzina (brzina bijega) koju letjelica mora postići da bi se oslobodila utjecaja njezine gravitacije. U slučaju crne rupe unutar horizonta događaja ta brzina bi morala biti veća od brzine svjetlosti.
“Naše otkriće da Schwarzschildove crne rupe imaju tlak i temperaturu još je uzbudljivije s obzirom na to da je to bilo potpuno iznenađenje”, rekao je fizičar i astronom Xavier Calmet sa Sveučilišta Sussex u Velikoj Britaniji.
“Ako razmatrate crnu rupu samo unutar opće relativnosti, pokazat će se da u svojem središtu ima singularnost u kojoj se zakoni fizike kakve poznajemo moraju urušavati. Nadamo se da bismo, kad se kvantna teorija polja inkorporira u opću relativnost, mogli pronaći novi opis crnih rupa”, dodao je.
Calmet i njegov kolega sa Sveučilišta Sussex, fizičar i astronom Folkert Kuipers, nabasali su na svoje otkriće dok su izvodili proračune koristeći kvantnu teoriju polja kako bi pokušali ispitati horizont događaja crne rupe.
Konkretno, pokušavali su razumjeti fluktuacije na horizontu događaja crne rupe koje ispravljaju njezinu entropiju, mjeru progresije od reda prema kaosu.
Neočekivana veličina – tlak crne rupe
Dok su izvodili ove izračune, Calmet i Kuipers neprestano su nailazili na dodatnu veličinu koja se javljala u njihovim jednadžbama, no trebalo im je neko vrijeme da prepoznaju da je ono što vide zapravo tlak.
“Trenutak kad smo shvatili da nam misteriozni rezultat u našim jednadžbama govori da je crna rupa koju smo proučavali imala tlak, nakon mjeseci hrvanja s njom, bio je vrlo uzbudljiv”, rekao je Kuipers.
Tim za sada još nije siguran što uzrokuje otkriveni tlak. Prema izračunima, on je negativan i malen, iznosi -2E-46 bara. Za bolje razumijevanje koliko je taj tlak malen, treba imati na umu da je riječ o crnoj rupi mase slične Sunčevoj te da je tlak zraka na površini Zemlje na razini mora oko 1 bar.
Iz ovog nalaza proizlazi da se crna rupa skuplja. No za sada nije jasno je li to posljedica Hawkingovog zračenja.
Objedinjavanje relativnosti i kvantne mehanike
Ipak, nalaz bi mogao imati zanimljive implikacije za nastojanja fizičara da opću relativnost, koja odlično funkcionira na makro mjerilima planeta, zvijezda i galaksija, povežu s kvantnom mehanikom, koja odlično funkcionira na iznimno malim mjerilima molekula, atoma i subatomskih čestica. Ovo nastojanje već se desetljećima smatra svetim gralom fizike.
Smatra se da su crne rupe ključne za to ostvarenje. Naime, u središtu crne rupe trebao bi postojati singularitet koji se može opisati kao jednodimenzionalna točka iznimno velike gustoće, u kojoj se opća relativnost raspada. No s druge strane, gravitacijsko polje oko nje može se opisati samo relativistički.
Shvaćanje kako se dva režima – relativnost i kvantna mehanika – mogu objediniti također bi moglo pomoći u rješavanju jedne velike enigme crnih rupa. Prema općoj relativnosti, informacije koje nestanu u crnoj rupi mogle bi nestati zauvijek. No, kvantna mehanika ne dopušta mogućnost trajnog nestanka informacija.
Matematičko istraživanje prostora-vremena oko crne rupe moglo bi pomoći u rješavanju ovog paradoksa.
“Naš rad je korak u ovom smjeru… Iako je tlak crne rupe koju smo proučavali sićušan, činjenica da je prisutan otvara više novih mogućnosti, što uključuje istraživanja u astrofizici, fizici čestica i kvantnoj fizici,” rekao je Calmet.
