Yurii Mongol
0 
1499
178
Svarta hål är bland de mest mystiska platserna i universum; platser där själva strukturen i rum och tid är sned så illa att inte ens ljus kan fly från dem. Enligt Einsteins teori om allmän relativitet, ligger i deras centrum en singularitet, en plats där massan av många stjärnor krossas till en volym med exakt nollstorlek. Två senaste fysikhandlingar, publicerade den 10 december i tidskrifterna Physical Review Letters respektive Physical Review D, kan emellertid få forskare att ompröva vad vi tror att vi vet om svarta hål. Svarta hål kanske inte varar för evigt, och det är möjligt att vi helt har missförstått deras natur och hur de ser ut i mitten, enligt tidningarna. [Stephen Hawkings mest avlägsna idéer om svarta hål]
Kanten av Einsteins fysik
Astronomer och fysiker har länge hävdat att tanken på en singularitet helt enkelt måste vara fel. Om ett föremål med massa inte har någon storlek, har det oändlig densitet. Och lika mycket som forskare kastar runt ordet "oändlighet", finns oändligheter av den typen inte i naturen. I stället, när du stöter på en oändlighet i en verklig, fysisk, vetenskaplig situation, är det vad det verkligen betyder att du har drivit din matematik bortom riket där de tillämpar. Du behöver ny matematik.
Det är lätt att ge ett bekant exempel på detta. Newtons tyngdelag säger att styrkan hos gravitationsattraktionen ändras när en över avståndet kvadrat mellan två föremål. Så om du tog en boll belägen långt från jorden skulle den uppleva en viss vikt. Sedan när du förde den närmare jorden skulle vikten öka. Genom att ta den ekvationen till det extrema, när du förde föremålet nära jordens centrum, skulle det uppleva en oändlig kraft. Men det gör det inte.
Istället när du tar föremålet nära jordens yta gäller inte Newtons enkla tyngdlag. Du måste ta hänsyn till den faktiska fördelningen av jordens massa, och det betyder att du måste använda olika och mer komplexa ekvationer som förutsäger olika beteenden. Även om Einsteins teori om allmän relativitet förutsäger att det finns en singularitet med oändlig densitet i mitten av svarta hål, kan detta inte vara sant. Vid mycket små storlekar måste en ny tyngdteori komma in. Vi har ett generiskt namn för denna nya teori: Det kallas kvanttyngd. [8 sätt du kan se Einsteins relativitetsteori i det verkliga livet]
Namnet kvanttyngd betyder helt enkelt "tyngdkraft i de minsta skalorna", men frasen innebär ingen specifik teori. Emellertid har specifika teoretiska förslag gjorts som skulle beskriva tyngdekraften som i mikrokosmos. Ett förslag kallas loopkvanttyngd.
Kvantitetens ögla är väl definierad matematiskt och den uttrycker strukturen i rymdtid som ett gitter av spinnätverk, som utvecklas över tiden. Snurrnätverk är bara en matematisk formulering som beskriver hur partiklar och fält interagerar. Ur en mer praktisk synvinkel förutspår slingkvanttyngd att rymdtid kvantiseras, med en minsta möjliga enhet eller en bit av utrymme och tid, utöver vilken rymdtid inte kan delas ytterligare.
Loop kvanttyngd är en svår matematisk teori som har motstått att göra testbara förutsägelser inuti svarta hål. Emellertid Abhay Ashtekar och Javier Olmedo vid Pennsylvania State University och Parampreet Singh vid Louisiana State University har använt slingkvantitivitet på mitten av svarta hål. De hävdar att resultatet inte är en singularitet.
Deras beräkning förutspår att rymdtid är krökt mycket starkt nära mitten av det svarta hålet. Resultatet är att rymdtiden fortsätter in i en region i framtiden som har strukturen i ett vitt hål. Ett vitt hål är som ett svart hål bakåt, vilket betyder att till skillnad från ett svart hål, som drar materien in, skjuter ett vitt hål materia ut.
Det finns kanske ett annat sätt att föreställa sig vad de förutsäger. Det är välkänt att i starka gravitationsfält bromsar tiden. Och svarta hål innehåller de starkaste gravitationsfälten i universum. På grund av detta är en möjlig tolkning av detta nya verk att materien faller i ett svart hål och sedan "studsar" och skjuter tillbaka massan över kosmos. Eftersom tiden är så långsam nära mitten av ett svart hål tar processen helt enkelt en enorm tid. Om forskarna har rätt, i en mycket avlägsen framtid, där det nu finns svarta hål, kommer materia att sprida ut, sprida materien i hela kosmos.
Som alltid inom teoretisk vetenskap finns det många intressanta och provocerande idéer som helt enkelt inte är sanna, och det kan vara en av dem. Så det är viktigt att se om det finns experimentellt stöd för teoretiska idéer som dessa.
Det finns några möjligheter. Forskare har observerat mycket höga energifenomen i rymden som inte har förklarats fullständigt. En är förekomsten av kosmiska strålar med mycket hög energi som träffar jordens atmosfär. En annan är vad som kallas "snabba radiobrister", vilket är när en stor mängd radioenergi observeras på mycket kort tid. Båda dessa fenomen kan åtminstone i princip vara signaturen på ett svart hål som övergår till ett vitt hål.
Det är verkligen för tidigt att acceptera denna intressanta nya idé. I stället skulle det vara förnuftigt att se hur pågående beräkningar med slingkvantityngd utspelas. Om förutsägelser förbättras och börjar se mer ut som några av de oförklarade observerade astronomiska fenomenen, kan det vara så att detta nya resultat både kommer att förklara hur kvanttyngdekraft fungerar och omformar vår förståelse för både universums förflutna och framtid.
- De största olösta mysterierna i fysik
- Vad är det? Dina fysiska frågor besvarade
- Vetenskapsfakta eller fiktion? Trolighet för 10 Sci-Fi-koncept
Ursprungligen publicerad den .
Don Lincoln är en fysikforskare på Fermilab. Han är författaren till "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie vetenskaplig utbildning videoklipp. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i denna kommentar är hans.
Don Lincoln bidrog med den här artikeln till Expertröster: Op-Ed & Insights.