24 Μαΐου, 2012

Μια μαύρη τρύπα περιέχει ένα νέο σύμπαν;

Μια μαύρη τρύπα περιέχει ένα νέο σύμπαν;

Το σύμπαν μας μπορεί να βρίσκεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Αυτό μπορεί να ακούγεται περίεργο, αλλά θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι η καλύτερη εξήγηση για το πώς ξεκίνησε το σύμπαν, και αυτό που παρατηρούμε σήμερα. Είναι μια θεωρία που έχει διερευνηθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών από μια μικρή ομάδα φυσικών συμπεριλαμβανομένου και του Nikodem Poplawski.

Όσο επιτυχημένη και αν είναι, υπάρχουν αξιοσημείωτα εκκρεμή θέματα με το μοντέλο του Big Bang, το οποίο υποδηλώνει ότι η σύμπαν ξεκίνησε ως μια φαινομενικά απίθανη "ιδιομορφία", ένα απειροελάχιστο σημείο που περιέχει μια απείρως μεγάλη συγκέντρωση ύλης, εκτεινόμενη σε μέγεθος σε αυτό που παρατηρούμε σήμερα. Η θεωρία του πληθωρισμού, μια υπερ-ταχεία διαστολή του χώρου που προτάθηκε κατά τις τελευταίες δεκαετίες, συμπληρώνει πολλές σημαντικές λεπτομέρειες, όπως γιατί συγκεντρώσεις ύλης με απειροελάχιστη διαφορά στο πρώιμο σύμπαν, συγχωνεύτηκαν σε μεγάλα ουράνια σώματα, όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών.

Αλλά αυτές οι θεωρίες αφήνουν μεγάλα άλυτα ερωτήματα. Για παράδειγμα: Τι ήταν αυτό που πυροδότησε το Big Bang; Τι ανάγκασε να τελειώσει ο πληθωρισμός; Ποιά είναι η πηγή της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας που φαίνεται να αναγκάζει το σύμπαν να επιταχύνει την διαστολή του;

Η ιδέα ότι το σύμπαν μας εξ ολοκλήρου περιέχεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα δίνει απαντήσεις στα προβλήματα αυτά και πολλά άλλα. Εξαλείφει την έννοια των ανέφικτων ιδιομορφιών στο σύμπαν μας. Και αυτό βασίζεται σε δύο κεντρικές θεωρίες της φυσικής.

Το πρώτο είναι η γενική σχετικότητα, η σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας. Περιγράφει το Σύμπαν στις μεγαλύτερες κλίμακες. Οποιοδήποτε συμβάν στο σύμπαν εμφανίζεται ως ένα σημείο στο χώρο και το χρόνο, ή χωροχρόνο. Ένα τεράστιο αντικείμενο, όπως ο Ήλιος παραμορφώνει ή "καμπυλώνει" τον χωροχρόνο, όπως μια μπάλα του μπόουλινγκ κάθεται σε ένα επίπεδο σεντόνι. Το βαρυτικό βαθούλωμα του ήλιου αλλάζει την κίνηση της Γης και των άλλων πλανητών. Η έλξη του ήλιου των πλανητών φαίνεται σε μας ως η δύναμη της βαρύτητας.

Το δεύτερο είναι η κβαντομηχανική, η οποία περιγράφει το σύμπαν στις μικρότερες κλίμακες, όπως είναι στο επίπεδο ενός ατόμου. Ωστόσο, η κβαντομηχανική και η γενική σχετικότητα είναι επί του παρόντος ξεχωριστές θεωρίες. Πολλοί φυσικοί έχουν προσπαθήσει να συνδυάσουν και τις δύο με επιτυχία σε μια ενιαία θεωρία της "κβαντικής βαρύτητας" για να περιγράψουν επαρκώς σημαντικά φαινόμενα, περιλαμβανομένης και της συμπεριφοράς των σωματιδίων μέσα στις μαύρες τρύπες.

Μια προσαρμογή κατά την δεκαετία του 1960 της γενικής σχετικότητας, που ονομάζεται θεωρία της βαρύτητας Einstein-Cartan-Kibble-Sciama, λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις από την κβαντική μηχανική. Αυτή δεν προσφέρει μόνο ένα βήμα προς την κβαντική βαρύτητα, αλλά οδηγεί επίσης σε μια εναλλακτική εικόνα του σύμπαντος. Αυτή η παραλλαγή της γενικής σχετικότητας ενσωματώνει και μια σημαντική κβαντική ιδιότητα που είναι γνωστή ως σπιν. Τα σωματίδια, όπως τα άτομα και τα ηλεκτρόνια έχουν σπιν ή η εσωτερική στροφορμή.

Σε αυτήν την περιγραφή, τα σπιν στα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τον χωροχρόνο και τον εφοδιάζουν με μια ιδιότητα που ονομάζεται "στρέψη". Για να καταλάβουμε τη στρέψη, φανταστείτε τον χωροχρόνο όχι σαν ένα δισδιάστατο καμβά, αλλά ως μία ευέλικτη, μονοδιάστατη ράβδο. Η κάμψη της ράβδου αντιστοιχεί στην κάμψη του χωροχρόνου και η στρέψη της ράβδου αντιστοιχεί στην στρέψη του χωροχρόνου. Εάν μια ράβδος είναι λεπτή, μπορείτε να τη λυγίσετε, αλλά είναι δύσκολο να δούμε αν είναι αυτή ή όχι σε στρέψη.

Η στρέψη του χωροχρόνου θα είναι σημαντική μόνο, πόσο μάλλον αισθητή, στο πρώιμο σύμπαν ή στις μαύρες τρύπες. Σε αυτά τα ακραία περιβάλλοντα η στρέψη του χωροχρόνου θα εκδηλωθεί ως μια απωστική δύναμη που αντιτάσσει την ελκυστική δύναμη της βαρύτητας, που προέρχεται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Όπως και στην κανονική έκδοση της γενικής σχετικότητας, οι πολύ ογκώδεις αστέρες καταλήγουν να καταρρέουν σε μαύρες τρύπες: τις περιοχές του χώρου από τις οποίες τίποτα δεν μπορεί, ακόμη και το φως, να δραπετεύσει.

Εδώ φτάσαμε στο σημείο το πώς η στρέψη παίζει ρόλο στις αρχικές στιγμές του σύμπαντος μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Αρχικά, η βαρυτική έλξη μεταξύ των σωματιδίων θα ξεπεράσει τις απωστικές δυνάμεις στρέψης, αναγκάζοντας την ύλη να καταρρεύσει σε μια μικρότερη περιοχή του διαστήματος. Αλλά τελικά η στρέψη θα γίνει πολύ ισχυρή και αποτρέπει την ύλη από το να συμπιεστεί σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας. Παρ’ όλα αυτά, η ύλη θα εξακολουθεί να "πακετάρεται" μαζί σε μία εξαιρετικά πυκνή κατάσταση. Η εξαιρετικά υψηλή βαρυτική ενέργεια σε αυτή την πυκνή κατάσταση θα μπορούσε να προκαλέσει μια έντονη παραγωγή νέων σωματιδίων, εφόσον η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ύλη. Η διαδικασία αυτή θα αυξήσει περαιτέρω τη μάζα μέσα στη μαύρη τρύπα.

Ο αυξανόμενος αριθμός των σωματιδίων με σπιν θα οδηγήσει σε υψηλότερα επίπεδα την στρέψη του χωροχρόνου. Η απωστική στρέψη θα σταματήσει την κατάρρευση και θα δημιουργήσει μια "μεγάλη αναπήδηση" σαν μια μπάλα που πέφτει σε ένα τοίχο. Η ταχύτατη ανάκρουση μετά από μια τέτοια μεγάλη αναπήδηση, θα μπορούσε να είναι αυτό που οδήγησε στην επέκταση του σύμπαντος μας. Το αποτέλεσμα αυτής της ανάκρουσης ταιριάζει με τις παρατηρήσεις του σχήματος, τη γεωμετρία του σύμπαντος, και την κατανομή της μάζας.

Στη συνέχεια, ο μηχανισμός στρέψης προτείνει ένα εκπληκτικό σενάριο: κάθε μαύρη τρύπα θα παράγει ένα νέο, σύμπαν βρέφος μέσα της. Αν όντως αυτό συμβαίνει, τότε η πρώτη ύλη στο σύμπαν μας προήλθε από κάπου αλλού. Έτσι και το δικό μας σύμπαν θα μπορούσε να βρίσκεται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, που υπάρχει σε ένα άλλο σύμπαν. Ακριβώς όπως δεν μπορούμε να δούμε τι συμβαίνει μέσα στις μαύρες τρύπες μέσα στο σύμπαν μας, έτσι και οι τυχόν παρατηρητές στο γονικό σύμπαν δεν θα μπορούσε να δει τι συμβαίνει στο δικό μας.

Η κίνηση της ύλης μέσα στα όρια της μαύρης τρύπας, που ονομάζεται "ορίζοντας γεγονότων", θα συμβεί μόνο σε μία κατεύθυνση, παρέχοντας με αυτό τον τρόπο μια κατεύθυνση του χρόνου που εμείς αντιλαμβανόμαστε ως κίνηση προς τα εμπρός. Το βέλος του χρόνου στο σύμπαν μας, επομένως, θα κληρονομηθεί, μέσω της στρέψης, από το γονικό σύμπαν.

Η στρέψη θα μπορούσε, επίσης, να εξηγήσει και την παρατηρούμενη ανισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης στο σύμπαν. Λόγω της στρέψης, η ύλη θα διασπαστεί στα γνωστά ηλεκτρόνια και κουάρκ, ενώ η αντιύλη θα διασπαστεί σε "σκοτεινή ύλη", μια μυστηριώδης αόρατη μορφή της ύλης που φαίνεται να αντιπροσωπεύει την πλειοψηφία της ύλης στο σύμπαν.

Τέλος, η στρέψη θα μπορούσε να είναι η πηγή της "σκοτεινής ενέργειας", μια μυστηριώδης μορφή ενέργειας που διαπερνά όλο το διάστημα και αυξάνει το ρυθμό της διαστολής του σύμπαντος. Η γεωμετρία με τη στρέψη παράγει φυσικά μια "κοσμολογική σταθερά", ένα είδος απωστικής προς τα έξω δύναμης, που είναι ο απλούστερος τρόπος για να εξηγήσουμε την σκοτεινή ενέργεια. Έτσι, η παρατηρούμενη επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος μπορεί να καταλήξει να είναι η ισχυρότερη απόδειξη για τη στρέψη.

Η στρέψη συνεπώς, προβλέπει ένα θεωρητικό υπόβαθρο για ένα σενάριο στο οποίο το εσωτερικό της κάθε μαύρης τρύπας γίνεται ένα νέο σύμπαν. Εμφανίζεται, επίσης, ως γιατρικό σε μερικά σοβαρά προβλήματα της σημερινής θεωρίας της βαρύτητας και της κοσμολογίας. Οι φυσικοί εξακολουθούν να πρέπει να συνδυάζουν την θεωρία κατά Einstein-Cartan-Kibble-Sciama πλήρως με την κβαντική μηχανική σε μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Ενώ η επίλυση ορισμένων θεμάτων μείζονος σημασίας, θέτει ορισμένες νέες δικές της. Για παράδειγμα, τι γνωρίζουμε για το γονικό σύμπαν και τη μαύρη τρύπα μέσα στην οποία το δικό μας σύμπαν βρίσκεται; Πόσα στρώματα γονικών συμπάντων θα έχουμε; Πώς μπορούμε να ελέγξουμε ότι το σύμπαν μας ζει σε μια μαύρη τρύπα;

Το τελευταίο ερώτημα μπορεί δυνητικά να διερευνηθεί: επειδή όλα τα αστέρια με αποτέλεσμα και οι μαύρες τρύπες να περιστρέφονται, έτσι και το σύμπαν μας θα μπορούσε να κληρονομήσει τον άξονα περιστροφής της μητρικής μαύρης τρύπας ως μια "προτιμητέα κατεύθυνση". Υπάρχουν κάποια πρόσφατα στοιχεία από έρευνες σε πάνω από 15.000 γαλαξίες, ότι σε ένα ημισφαίριο του σύμπαντος, οι περισσότεροι σπειροειδείς γαλαξίες είναι "αριστερόστροφοι", ή σαν τον δείκτη του ρολογιού, ενώ στο άλλο ημισφαίριο είναι πιο "δεξιόστροφοι", ή αντίθετα από τους δείκτες. Σε κάθε περίπτωση, πιστεύουν οι φυσικοί που ασχολούνται με αυτές τις ιδέες, συμπεριλαμβανομένων και της στρέψης στην γεωμετρία του χωροχρόνου, ότι είναι ένα σωστό βήμα για μια επιτυχημένη θεωρία της κοσμολογίας.


Physics 4 U

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Νεότερες Αναρτήσεις Επόμενη σελίδα