Gaură neagră - reprezentare artistică
Universul nostru ar putea fi într-o gaură neagră. Poate că sună ciudat, dar ar putea fi cea mai bună explicaţie privind începutul universului şi pentru ceea ce observăm noi astăzi. Este o teorie care a fost dezvoltată în ultimele zeci de ani de un grup de fizicieni.
Orice gaură neagră reprezintă un nou univers. Fizicianul Nikodem Poplawski oferă o soluţie pentru misterele cosmice.
Deşi este teoria acceptată astăzi, teoria Big Bang are mai multe probleme nerezolvate. Aceasta afirmă că universul îşi are originea într-o singularitate imposibilă - un punct extrem de mic, care conţinea materie într-o concentraţie infinită şi care s-a extins până la ceea ce ştim că este universul astăzi. Teoria inflaţiei, care afirmă că universul a avut parte de o expansiune iniţială foarte rapidă, explică multe aspecte ale dezvoltării universului, de exemplu cum s-au format corpurile cosmice şi cum au ajuns să formeze galaxii şi clustere de galaxii.
Dar aceste teorii lasă întrebări importante fără răspuns. De exemplu: ce a provocat Big Bangul? ce a generat inflaţia? care este sursa misterioasei energii întunecate care, aparent, provoacă expansiunea accelerată a Universului?
Ideea că universul nostru este conţinut într-o gaură neagră oferă răspunsuri la aceste întrebări şi la multe altele. Elimină noţiunea de singularitate, care este o imposibilitate după legile fizicii cunoscute. De asemenea, aduce laolaltă două teorii centrale al fizicii.
Prima este relativitatea generală, teoria modernă a gravitaţiei. Ea descrie universul la scară mare. Orice eveniment în univers survine ca un punct în spaţiu şi timp ori spaţiu-timp. Un obiect masiv cum este, de pildă, Soarele, distorsionează ori curbează spaţiu-timpul, ca o bilă de bowling stând pe o pânză. Curbura spaţiu-timpului generată de Soare modifică mişcarea Pământul şi a celorlalte planete care-l orbitează. Atracţia exercitată asupra planetelor ne apare ca fiind urmare a forţei gravitaţionale.
A doua teorie este mecanica cuantică, care descrie universul la scară mică, la nivelul atomului. Mecanica cuantică şi relativitatea generală sunt totuşi teorii separate; fizicienii s-au străduit să le combine într-o teorie a „gravitaţiei cuantice", pentru a descrie fenomene importante, cum ar fi comportamentul particulelor subatomice într-o gaură neagră.
Nikodem Poplawski privind o „tornadă într-o sticlă". Sticla de sus reprezintă gaura neagră, gâturile conectate ale sticlelor reprezintă o gaură de vierme, iar sticla de jos reprezintă universul în dezvoltare de cealaltă parte a găurii de vierme.
Credit imagine: Indiana University
O adaptare din anii '60 a relativităţii generale, denumită teoria Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, ia în calcul efectele mecanicii cuantice. Nu doar că asigură un pas înainte pentru teoria gravitaţiei cuantice, dar, de asemenea, oferă o imagine alternativă a universului. Această variantă a relativităţii generale încorporează o importantă proprietate cuantică numită spin. Particulele, ca atomii ori electronii, au spin ori moment cinetic, care poate fi reprezentat mental ca o mișcare de rotaţie în jurul propriei axe (ca o patinatoare învârtindu-se pe gheaţă, deși această metaforă este totuși este departe de „realitate”).
În această viziune, spinul particulelor interacţionează cu spaţiu-timpul şi îi conferă o proprietate numită „torsiune". Pentru a înţelege torsiunea, vă puteţi imagina spaţiu-timpul nu ca o ţesătură în două dimensiuni, ci ca un băţ cu o singură dimensiune, dar flexibil. Curbarea băţului corespunde curbării spaţiu-timpului, iar răsucirea băţului corespunde torsiunii spaţiu-timpului. Dacă băţul este subţire, îl poţi curba, dar este greu să-ţi dai seama dacă este torsionat ori nu.
În centrul galaxiei spiralate M81 este o gaură neagră supermasivă, de circa 70 de milioane de ori mai mare decât Soarele nostru.
Credit: X-ray: NASA / CXC / Wisconsin /D.Pooley & CfA / .Zezas; Optical: NASA/ESA/CfA/A.Zezas; UV: NASA/JPL-Caltech/CfA/J.Huchra et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/CfA
Torsiunea spaţiu-timpului ar putea fi semnificativă şi observabilă doar în universul timpuriu ori în găurile negre. În aceste condiţii extreme, spaţiu-timpul s-ar manifesta ca o forţă de respingere care contrabalansează forţa gravitaţională generată de curbarea spaţiu-timpului. Ca în versiunea standard a relativităţii generale, stelele foarte masive sfârşesc colapsând într-o gaură neagră: regiune din spaţiu din care nimic, nici măcar lumina nu poate scăpa.
Iată cum torsiunea poate juca un rol în momentele de început ale universului, într-o gaură neagră. Iniţial, atracţia gravitaţională dintre particule va depăşi forţa de respingere a torsiunii, ducând la colapsarea materiei într-o mică regiune din spaţiu. Dar, până la urmă, torsiunea va deveni foarte puternică şi va împiedica materia să se comprime şi să ajungă un punct de densitate infinită. Cu toate acestea, materia va fi într-o stare de mare densitate. Energia gravitaţională enormă generată de această stare va cauza o producţie intensă de particule, întrucât energia poate fi convertită în materie. Acest proces va creşte mai departe masa în interiorul unei găuri negre.
Numărul în creştere de particule cu spin va duce la creşterea torsiunii spaţiu-timpului. Forţa de respingere a torsiunii va opri colapsarea şi va duce la expansiune, aspect ce ar putea fi explicaţia pentru expansiunea Universului. Rezultatele acestui „recul" se potrivesc cu observaţiile asupra universului referitoare la formă, geometrie şi distribuţia masei.
În schimb, mecanismul de torsiune sugerează un scenariu uimitor: orice gaură neagră ar putea produce un nou univers în interiorul său. Dacă acest lucru este adevărat, atunci primele elemente de materie în universul nostru vin de altundeva. Aşa că universul ar putea fi interiorul unei găuri negre existând într-un alt univers. Aşa cum noi nu putea vedea ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, niciun observator din universul-părinte nu poate vedea ce se întâmplă în universul nostru, din interiorul găurii negre.
Universul nostru ar putea fi interiorul unei găuri negre, existând într-un alt univers, univers-părinte.
Mişcarea materiei prin zona de graniţă a găurii negre, numită „orizontul evenimentelor" ar avea loc într-o singură direcţie, asigurând o direcţie a timpului pe care noi o percepem ca fiind îndreptată către viitor. Direcţia timpului din universul nostru ar fi, astfel, moştenită, prin torsiune, din universul-părinte.
Torsiunea ar putea, de asemenea, să explice dezechilibrul materie-antimaterie din univers. Din cauza torsiunii, materia s-ar dezintegra în electroni şi quarcuri, iar antimateria s-ar dezintegra în „materia întunecată", misterioasa şi invizibila formă a materiei care pare că reprezintă cea mai mare parte a materiei din univers.
În sfârşit, torsiunea ar putea fi sursa energiei întunecate, o formă misterioasă de energie prezentă peste tot în spaţiu şi care creşte rata expansiunii universului. Geometria universului, aplicând torsiunea, produce o constantă cosmologică, un fel de forţă care este cea mai simplă explicaţie pentru energia întunecată. Astfel, expansiunea accelerată a universului poate reprezenta cea mai puternică dovadă a existenţei torsiunii.
Torsiunea asigură, astfel, fundamentele teoretice pentru un scenariu în care interiorul oricărei găuri negre devine un nou univers. De asemenea, torsiunea pare a fi un „remediu" pentru problemele majore ale teoriei gravitaţiei şi ale cosmologiei. Dar fizicienii încă au de lucru la combinarea teoriei Einstein-Cartan-Sciama-Kibble cu mecanica cuantică, pentru a avea o teorie cuantică a gravitaţiei.
Dar în timp ce rezolvă unele probleme majore, torsiunea introduce noi întrebări. De exemplu, cum putea avea informaţii despre universul-părinte şi despre gaura neagră în care universul nostru se află? Câte „straturi" de universuri-părinte există? Cum putem testa că trăim în interiorul unei găuri negre?
Ultima întrebare ar putea fi investigată: întrucât toate stele şi găurile negre se rotesc, universul nostru ar trebui să fi moştenit mişcarea de rotaţiei a găurii negre părinte ca şi „direcţie preferată". Sunt unele dovezi recente, pe baza observării a peste 15 mii de galaxii, conform cărora într-o emisferă a universului mai multe galaxii spiralate se rotesc în sensul acelor de ceasornic, iar în cealaltă emisferă mai multe astfel de galaxii se rotesc în sens contrar. Credem că includerea torsiunii în geometria spaţiu-timpului ar reprezenta un pas înainte pentru a avea o teorie cosmologică de succes.
Traducere după black-hole-universe-physicist-solution, cu acordul editorului.
Traducerea este protejată de legea drepturilor de autor.
