Astronomie

De ce unii fizicieni cred că trăim într-o gaură neagră

---

Conform teoriei, suntem codificați la granița unei găuri negre dintr-un univers mult mai mare.

Universul este vast și misterios. De zeci de ani, oamenii de știință au încercat să-i descopere secretele. Dar o ipoteză recentă bulversează înțelegerea realității: și dacă am trăi într-o gaură neagră? Această idee surprinzătoare se bazează pe observații și teorii complexe din fizică. Cercetătorii sugerează că universul nostru ar putea fi o hologramă înscrisă, codificată pe suprafața unei uriașe găuri negre aparținând altui univers, mai mare. Această ipoteză îndrăzneață ridică întrebări fascinante despre însăși natura existenței noastre.

1. Găurile negre: monștri cosmici fascinanți

O gaură neagră este o regiune a spațiului în care gravitația este atât de intensă încât nimic nu poate scăpa, nici măcar lumina. Aceste obiecte misterioase se formează atunci când stele masive se prăbușesc asupra lor. De la descoperirea lor, găurile negre i-au intrigat pe oamenii de știință pentru că sfidează legile cunoscute ale fizicii. Dar ce se întâmplă mai exact în interiorul unei găuri negre? Aici știința devine și mai ciudată și captivantă.

Găurile negre sunt obiecte ciudate care ne fac confuză înțelegerea fizicii. În încercarea de a reconcilia unele dintre paradoxurile descoperite atunci când le studiază, fizicienii au propus ipoteze și mai ciudate, una dintre ele sugerând că trăim într-un univers holografic, în care tot ceea ce vedem și percepem este de fapt codificat la granița universului nostru, o reprezentare 3D (plus timp) a unui univers bidimensional (plus timp). Mai mult decât atât, unii au sugerat că ar putea implica faptul că universul nostru se află într-o gaură neagră a unui univers mai mare.

Găurile negre, formate atunci când stelele masive se prăbușesc sau colapsează, sunt zone ale spațiului în care gravitația este atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa. Existența lor ridică o problemă atunci când sunt studiate în termeni de termodinamică. Starea finală a unei găuri negre, când ajunge la echilibru, depinde doar de trei parametri: masa, momentul unghiular și sarcina sa electrică.

„În relativitatea generală clasică, o gaură neagră împiedică orice particulă sau formă de radiație să scape din închisoarea sa cosmică”, explică astrofizicianul francez Jean-Pierre Luminet într-o recenzie din 2016. „Pentru un observator extern, atunci când un corp material traversează un orizont de evenimente, toate cunoștințele despre proprietățile sale materiale se pierd. Doar noile valori ale lui M [masă], J [momentul unghiular] și Q [sarcina electrică] rămân. Drept urmare, o gaură neagră înghite o cantitate enormă de informații.”

Dar dacă o gaură neagră are masă (și multe dintre ele au), atunci ar trebui să aibă o temperatură conform primei legi a termodinamicii și, în conformitate cu cea de-a doua legi a termodinamicii, ar trebui să radieze căldură. Stephen Hawking a arătat că găurile negre ar trebui să emită radiații – acum denumite radiații Hawking – formate la granița unei găuri negre.

2. Un paradox care sfidează fizica

Fizicienii Stephen Hawking și Jacob Bekenstein au descoperit că găurile negre nu sunt doar „gropi fără fund”. Ele emit radiații, numite radiații Hawking, care le determină să se evapore încet. Aceasta pune o problemă fundamentală: dacă o gaură neagră dispare, ce se întâmplă cu toate informațiile pe care le conținea? Conform legilor mecanicii cuantice, informația nu poate fi distrusă. Această contradicție, cunoscută sub numele de paradoxul informației găurii negre, i-a determinat pe cercetători să exploreze soluții noi.

Dacă o gaură neagră se poate evapora, o parte din informațiile pe care le conține se pierd pentru totdeauna”, a continuat Luminet. „Informația conținută în radiația termică emisă de o gaură neagră este degradată; nu reține informații despre materia înghițită anterior de gaura neagră. Pierderea irecuperabilă de informații intră în conflict cu unul dintre postulatele de bază ale mecanicii cuantice. Conform ecuației lui Schrödinger (care descrie schimbările în timp ale unui sistem fizic) sistemele fizice care se modifică în timp nu pot crea sau distruge informația unitară, o proprietate cunoscută sub numele de unitaritate.”

Aceasta este cunoscută sub numele de paradoxul informației găurii negre și – având în vedere modul în care pare să încalce înțelegerea noastră actuală a universului – a făcut obiectul multor studii și dezbateri.

Un fel de soluție propusă a fost găsită analizând termodinamica găurilor negre în contextul teoriei corzilor. Gerard ’t Hooft a arătat că gradele totale de libertate conținute în interiorul unei găuri negre sunt definite proporțional cu suprafața orizontului său, mai degrabă decât cu volumul său. Acest lucru permite examinarea entropiei unei găuri negre.

„Din punct de vedere al informațiilor, fiecare bit sub forma unui 0 sau a unui 1 corespunde la patru zone Planck, ceea ce permite găsirea formulei Bekenstein-Hawking pentru entropie”, continuă Luminet. „Pentru un observator extern, informațiile despre entropia găurii negre, odată purtate de structura tridimensională a obiectelor care au traversat orizontul evenimentelor, par pierdute. Dar, din acest punct de vedere, informațiile sunt codificate pe suprafața bidimensională a găurii negre, ca o hologramă. Prin urmare, Gerard ’t Hooft a concluzionat că informația înghițită de o gaură neagră ar putea fi complet restaurată în timpul procesului de evaporare cuantică.”

Deși acest lucru este liniștitor într-un fel (găurile negre nu încalcă cea de-a doua lege a termodinamicii), a condus la ideea că fizica unui volum tridimensional poate fi descrisă la limita sa bidimensională.

3. Ipoteza lumii holografice

Principiul holografic afirmă că informaţia din interiorul Universului este aceeaşi cu informaţia conţinută pe graniţa / suprafaţa exterioară Universului.

Cu toate că acest lucru nu este adevărat pentru spațiul din afara unei găuri negre, există propuneri că universul însuși ar putea fi o gaură neagră, unde toate procesele au loc la graniță și ceea ce observăm reiese din aceste interacțiuni. De exemplu, s-a sugerat că gravitația ar putea apărea ca o forță emergentă din entropia entaglementului (măsura gradului de încâlcire cuantică între două subsisteme care formează un sistem cuantic; cu cât entropia este mai mare, cu atât subsistemele prezintă o stare de încâlcire maximă) la graniță. Entropia entaglementului / încâlcirii este o măsură a modului în care informațiile cuantice sunt stocate într-o stare cuantică. În sistemele holografice, entropia încâlcirii este codificată în caracteristicile geometrice.

Una dintre cele mai interesante teorii pentru a rezolva acest paradox este ipoteza holografică. Propusă de fizicienii Gerard ‘t Hooft și Leonard Susskind, aceasta sugerează că tot ceea ce percepem în trei dimensiuni este de fapt stocat pe o suprafață bidimensională. Cu alte cuvinte, universul nostru ar fi o hologramă imensă. Această idee poate părea ciudată, dar este compatibilă cu mai multe modele teoretice din fizică.

4. Un univers în interiorul unei găuri negre

Unii oameni de știință merg și mai departe și sugerează că însuși universul nostru s-ar putea afla într-o gaură neagră gigantică. În acest scenariu, tot ceea ce vedem și simțim nu ar fi altceva decât o proiecție pe suprafața acestei găuri negre, situată într-un univers mai mare. Această ipoteză se bazează pe o observație frapantă: raza observabilă a universului nostru corespunde aproape exact cu raza unei găuri negre ipotetice care conține toată masa sa. Această coincidență este tulburătoare și alimentează speculațiile.

Pământul în interiorul unei găuri negre

Această posibilitate a fost luată serios în considerare de știința modernă, determinată de o serie de fapte.

Poate cel mai notabil argument este faptul că, dacă calculăm mărimea unei găuri negre cu masa și energia egale cu toată masa și energia pe care le putem vedea în Univers, obținem un rezultat surprinzător: are aproape aceeași mărime ca Universul observabil!

Dacă acest lucru vi se pare ciudat, trebuie știut că raza unei găuri negre este direct proporțională cu masa sa, în timp ce volumul său este proporțional cu raza sa la cub:

r_{gn   ͌} m_gn,  V_{gn   ͌} r_gn³

Deci, cu cât o gaură neagră este mai masivă, cu atât este mai puțin densă.

Prin urmare, o gaură neagră cu raza Universului ar avea aproximativ densitatea medie pe care o observăm în Univers.

Universul are și alte asemănări cu găurile negre. De exemplu, dacă privim expansiunea Universului în sens invers, este clar că aceasta a început cu o „singularitate” – Big Bang-ul – un moment în timp în care densitățile, temperaturile și energiile erau atât de extreme încât legile fizicii erau încălcate.

Matematic, acest lucru este același cu singularitățile din găurile negre.

Găurile negre au și orizonturi de evenimente dincolo de care toată lumina și materia sunt captive. Universul are ceva similar; „orizontul evenimentelor” cosmologic, dincolo de care nu putem vedea deoarece lumina de acolo nu poate ajunge la noi.

Și, matematic vorbind, proprietățile spațiului din afara orizontului evenimentelor unei găuri negre sunt pur și simplu o inversare a celor din interior.

Alte studii au sugerat, de asemenea, că crearea unei găuri negre poate produce „universuri bebeluși”.

Însă, în ciuda acestor ciudățenii teoretice, niciuna dintre aceste idei nu a dus la o predicție testabilă sau la vreo dovadă observabilă. Prin urmare, întrebarea dacă trăim în interiorul unei găuri negre nu poate primi încă răspuns.

5. Gravitația, o forță care apare dintr-un alt univers?

Din această ipoteză reiese o altă idee fascinantă: ce se întâmplă dacă gravitația pe care o simțim este doar un efect emergent? Potrivit unor fizicieni, gravitația nu este o forță fundamentală, ci rezultatul interacțiunii particulelor de pe suprafața universului nostru-gaură neagră. Cu alte cuvinte, ceea ce considerăm spațiu tridimensional ar fi doar o iluzie creată de aceste interacțiuni complexe.

6. Un model seducător

Deși această teorie este fascinantă și îndrăzneață, rămâne o speculație științifică. În știință, o ipoteză este valoroasă doar dacă ne permite să facem predicții verificabile. Cu toate acestea, până acum, niciun test concret nu a confirmat că universul nostru este de fapt o gaură neagră. Pilonii fizicii, precum relativitatea generală a lui Einstein și mecanica cuantică, rămân astăzi cele mai de încredere modele pentru explicarea cosmosului nostru. Cu toate acestea, cercetarea nu se oprește niciodată: fiecare nou progres în fizica teoretică ne-ar putea aduce mai aproape de o revelație șocantă despre adevărata natură a universului. Poate într-o zi se va demonstra în sfârșit dacă suntem prinși în umbra unei găuri negre… sau nu.

Teoria nu este, însă, cea mai convingătoare idee pentru a explica universul nostru, fizica standard încă descrie cel mai bine universul pe care îl vedem. Dar există motive pentru care oamenii o iau în serios.

În primul rând, pentru ca modelul să funcționeze, raza Hubble a universului – raza universului nostru observabil – trebuie să fie aceeași cu raza sa Schwarzschild sau cu dimensiunea găurii negre care ar fi creată dacă toată materia din ea ar fi condensată într-un singur punct. Aceste două numere sunt, de fapt, surprinzător de apropiate, deși acest lucru poate fi pus pe seama unei coincidențe cosmice.

Există și alte motive, cum ar fi diagrama totului care sugerează că am putea trăi într-o gaură neagră a unui univers mai mare. Diagrama totului trasează totul, de la particule subatomice până la superclustere, pe o diagramă logaritmică de masă și rază. Graficul este opera doctorului australian Charles Lineweaver, specializat în astrobiologie, cosmologie și planetologie și a studentului absolvent al Australian National University, Vihan Patel.

Diagrama totului. O diagramă logaritmică a masei și razei tuturor categoriilor de obiecte din univers și zonele interzise din jurul lor.

Dar până când o astfel de teorie vine cu dovezi și predicții convingătoare dincolo de înțelegerea noastră actuală a fizicii, ar fi de dorit să nu plonjăm încă într-o criză existențială, indiferent dacă suntem obiecte 3D în spațiu-timpul convențional sau o proiecție holografică dintr-o limită bidimensională 2D în interiorul unui univers mai mare.

7. Ce concluzii ar trebui trase de aici?

Dacă această teorie se dovedește a fi corectă, ar revoluționa înțelegerea realității. Aceasta ar implica că tot ceea ce percepem – de la materie la spațiu și la timp – este doar o iluzie proiectată dintr-o dimensiune superioară, o simplă reflectare a unei realități mult mai mari și mai insesizabile. Existența noastră în sine nu ar fi altceva decât o inscripție pe suprafața unei imense găuri negre, captivă într-un joc de umbre cosmice. O astfel de revelație ar transforma nu numai concepția noastră despre univers, ci și locul nostru în cadrul acestuia.

Cu toate acestea, știința se bazează pe dovezi și, până în prezent, nu avem o confirmare experimentală a acestei ipoteze. Oricât de fascinantă este, această idee rămâne o speculație teoretică, un model matematic seducător, dar neverificat. Până când observațiile tangibile o vor confirma, ar trebui abordată cu prudență, mai degrabă ca o linie de gândire îndrăzneață decât o certitudine absolută. Dar cine știe? Progresele în fizică ar putea dezvălui că, de fapt, trăim în umbra unei găuri negre colosale.

© CCC