Crne rupe već desetljećima označavaju granicu na kojoj se najuspješnije fizikalne teorije sudaraju s vlastitim ograničenjima.
Novi teorijski rad Francesca Di Filippa s Instituta za teorijsku fiziku u Frankfurtu predlaže drukčiju mogućnost: u nekim crnim rupama električni naboj i Hawkingovo zračenje zajedno bi mogli spriječiti nastanak singularnosti. Mogli bi spriječiti i pojavu granice poznate kao Cauchy horizon, odnosno Cauchyjev horizont, iza koje se gubi predvidljivost poznate fizike.
Riječ je o spekulativnom, ali važnom rezultatu objavljenom u časopisu Physical Review Letters. Ako se pokaže održivim, mogao bi promijeniti način na koji fizičari razmišljaju o unutrašnjosti crnih rupa i o pitanju treba li za njezino razumijevanje nužno puna teorija kvantne gravitacije.
Granica na kojoj se raspada predvidljivost
Prema općoj teoriji relativnosti, crna rupa nije samo područje iz kojeg ne može pobjeći ni svjetlost. Njezina unutrašnjost vodi prema jednom od najdubljih problema moderne fizike: što se događa kada poznate jednadžbe više ne mogu opisati budućnost sustava?
U klasičnom opisu taj se problem pojavljuje na dva načina.
Prvi je singularnost. To je mjesto na kojem gustoća i zakrivljenost prostorvremena u matematičkom opisu postaju beskonačne. U takvom scenariju materija se sabija do krajnje granice, a jednadžbe kojima inače opisujemo prostor, vrijeme i gravitaciju prestaju davati smislen odgovor.
Drugi je Cauchyjev horizont. U fizici taj pojam označava granicu iza koje se budućnost više ne može pouzdano odrediti iz poznatih početnih uvjeta. Nije riječ o singularnosti u istom smislu, ali problem je jednako ozbiljan: teorija više ne može jamčiti predvidljivost.
Di Filippo polazi od poznatih teorema o singularnostima, uključujući Penroseov teorem i kasnije radove. Ti teoremi pokazuju da unutrašnjost crne rupe mora biti nepotpuna ako se pretpostavi da je gravitacija uvijek privlačna. Prostorvrijeme tada ne ostaje samo ekstremno zakrivljeno. U matematičkom smislu, ono može završiti.
Dva učinka koja zajedno mijenjaju sliku
Nova analiza ne uvodi novu silu ni egzotičan sastojak crne rupe. Umjesto toga spaja dva poznata učinka koja se u fizici crnih rupa već dugo razmatraju, ali se obično ne promatraju kao zajednički mehanizam koji bi mogao promijeniti samu unutrašnju strukturu crne rupe.
Prvi je elektromagnetsko odbijanje u električno nabijenoj crnoj rupi. Električni naboj može djelovati protiv gravitacijskog urušavanja, barem u određenom teorijskom modelu. Sam po sebi, taj učinak nije dovoljan da ukloni probleme koji nastaju duboko unutar crne rupe.
Drugi je Hawkingovo zračenje, kvantni proces zbog kojeg crne rupe postupno gube masu i energiju. To zračenje narušava neke uvjete energije na kojima počivaju teoremi o singularnostima. Ipak, dosad se uglavnom smatralo da je učinak preslab da bi promijenio konačan ishod: singularnost ili Cauchyjev horizont.
Di Filippo tvrdi da se zaključak mijenja kada se električni naboj i Hawkingovo zračenje uzmu zajedno. Elektromagnetsko odbijanje i isparavanje crne rupe pojedinačno možda ne mogu spriječiti gubitak predvidljivosti. U kombinaciji bi, u određenim uvjetima, mogli spriječiti nastanak i singularnosti i Cauchyjeva horizonta.
Do tog je zaključka došao analizom Penroseovih dijagrama, kojima fizičari prikazuju globalnu strukturu prostorvremena. Takvi dijagrami omogućuju da se povijest crne rupe prikaže u sažetom obliku, od njezina nastanka do moguće buduće sudbine.
Možda nije uvijek potrebna puna kvantna gravitacija
Najvažniji dio rada nije tvrdnja da je problem singularnosti riješen. Di Filippo to ne tvrdi. Važnija je mogućnost da se dio problema unutrašnjosti crnih rupa možda može opisati bez potpune teorije kvantne gravitacije.
U uobičajenom tumačenju, singularnosti su znak da opća relativnost mora biti zamijenjena dubljom teorijom u kojoj je i sama gravitacija kvantna. Di Filippov rad ostavlja prostor za drukčiji put. U nekim bi slučajevima možda bilo dovoljno tretirati kvantno samo polja materije, dok se prostorvrijeme i dalje opisuje klasično.
To je i dalje vrlo rana ideja. Autor naglašava da je riječ o spekulativnom rezultatu koji treba provjeriti dodatnim teorijskim analizama. Potrebno je utvrditi pod kojim se uvjetima takav scenarij može održati i koliko je povezan s crnim rupama kakve stvarno nastaju u svemiru.
Ipak, rad je zanimljiv jer slabi pretpostavku da singularnosti nužno zahtijevaju trenutačan skok u punu kvantnu gravitaciju. Moguće je da poznati kvantni učinci imaju veći utjecaj na unutrašnjost crnih rupa nego što se dosad pretpostavljalo.
Rotacija kao pravi ispit za novu ideju
Električno nabijene, sferno simetrične crne rupe korisne su u teorijskim modelima, ali nisu najbolji opis objekata koje očekujemo u stvarnom svemiru. Astrofizičke crne rupe uglavnom rotiraju. Imaju kutni moment, a njihova je unutrašnja struktura matematički znatno složenija.
Di Filippo zato želi proširiti analizu na rotirajuće crne rupe. Njegova je pretpostavka da bi kutni moment mogao imati ulogu sličnu električnom naboju: u određenim uvjetima mogao bi pružiti učinak koji se suprotstavlja potpunom gravitacijskom urušavanju.
Takav izračun bio bi tehnički zahtjevniji, ali i važniji za astrofiziku. Ako se pokaže da Hawkingovo zračenje i rotacija zajedno mogu promijeniti unutrašnjost crne rupe, rasprava o singularnostima dobila bi čvršću vezu s objektima koji doista postoje u svemiru.
Za sada, crne rupe ostaju među najvećim otvorenim pitanjima fizike. Di Filippov rad ne rješava taj problem, ali pokazuje da poznati učinci možda još nisu do kraja istraženi. Granica iza horizonta događaja možda nije jednostavan put prema kraju poznate fizike. U nekim modelima mogla bi biti osjetljivija na kvantne procese nego što se dugo pretpostavljalo.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
Francesco Di Filippo, Radiating Black Holes in General Relativity Need Not Be Singular
DOI: 10.1103/gv8z-f128
Časopis / izvor: Physical Review Letters
