1 Η ιστορία πίσω από τις μαύρες τρύπες

Οι επιστήμονες εξερευνούν το Διάστημα

Ο διακεκριμένος επιστήμονας Στίβεν Χόκινγκ πρόσφατα προκάλεσε «αναταράξεις» στους κύκλους των φυσικών, με μια αιρετική επιστημονική προδημοσίευση, σύμφωνα με την οποία υποστηρίζει ότι οι μαύρες τρύπες –χάρη στις οποίες έγινε διάσημος- δεν υπάρχουν, τουλάχιστον με τον τρόπο που πίστευαν οι επιστήμονες μέχρι τώρα.

Όπως και να ’χει, για το μέσο αναγνώστη η κατάσταση είναι ελαφρώς έως πολύ… μπερδεμένη!

Προκειμένου να μπορέσει κανείς να καταλάβει τον «κόσμο» επιστημόνων σαν τον Χόκινγκ και την κοινότητα των αστροφυσικών, είναι σημαντικό να γνωρίζει κανείς λίγη ιστορία.

Όλα ξεκίνησαν κάπου πίσω στο 1784, όταν στο μυαλό του γεωλόγου John Michell περιτριγύριζε έντονα η θεωρία της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα, γράφει ο Adam Mann στο wired.com.

Σύμφωνα με τη νευτώνεια φυσική, ένα αντικείμενο μπορεί να τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη, αν ξεπερνά μια συγκεκριμένη ταχύτητα, που είναι γνωστή ως ταχύτητα διαφυγής από το πεδίο βαρύτητας της Γης και η οποία εξαρτάται από τη μάζα και την ακτίνα της Γης.

Ο Michell οραματιζόταν ένα σώμα, η ταχύτητα διαφυγής του οποίου ήταν τόσο μεγάλη, που ξεπερνούσε αυτήν της ταχύτητας του φωτός (300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο), που μετρήθηκε για πρώτη φορά το 1676 από το δανό αστρονόμο Ole Romer.

Ο Michell παρουσίασε τα αποτελέσματα των ερευνών του σε άλλους επιστήμονες, οι οποίοι άρχισαν να πιθανολογούν για την ύπαρξη τεράστιων «μαύρων αστεριών», που θα μπορούσαν να υπάρχουν σε αφθονία στον ουρανό αλλά δεν είναι ορατά γιατί το φως δεν μπορεί να διαφύγει από τις επιφάνειές τους.

Ο γάλλος μαθηματικός Pierre-Simon Laplace αργότερα υποστήριξε ότι αυτά τα «μαύρα αστέρια» θα είχαν μάζα όση ο Ήλιος και η ακτίνα τους θα ήταν γύρω στα 6 χιλιόμετρα.

Μετά τις επαναστατικές θεωρίες των φυσικών του 20ου αιώνα, οι μαύρες τρύπες έγιναν ακόμη πιο… περίεργες.

Το 1916, λίγο καιρό αφότου ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τις πολύπλοκες εξισώσεις που διέπουν τη Θεωρία της Σχετικότητας, ο γερμανός αστρονόμος Karl Schwarzschild υποστήριξε ότι ένα τεράστιο αντικείμενο, συμπιεσμένο σε ένα μοναδικό σημείο θα μπορούσε να παραμορφώσει το χώρο γύρω του σε τέτοιο βαθμό, που ούτε το φως να μη μπορεί να διαφύγει.

Παρότι μια μαύρη τρύπα φαινόταν να «ρουφά» τα πάντα σαν ηλεκτρική σκούπα, το φως δε θα μπορούσε να διαφύγει από το αντικείμενο του Schwarzschild, μόνο αν ήταν μέσα σε μια συγκεκριμένη ακτίνα, τη λεγόμενη ακτίνα Schwarzschild. Πέρα από αυτόν τον «ορίζοντα» θα μπορούσε να εγκαταλείψει με ασφάλεια την περιοχή μιας μαύρης τρύπας.

Τόσο ο Schwarzschild, όσο και ο Αϊνστάιν πίστευαν ότι το αντικείμενο αυτό δεν ήταν παρά ένα… μαθηματικό αξιοπερίεργο.

Χρειάστηκε οι επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη ζωή ενός αστεριού, προτού λάβουν στα σοβαρά υπόψη τις μαύρες τρύπες.

Ένα άστρο, συνεχίζει ο αρθρογράφος, «λειτουργεί» κάτω από μια λεπτή ισορροπία ανάμεσα στη βαρύτητα –που προσπαθεί να τραβήξει τη μάζα του προς τα μέσα- και το πυρηνικό «καμίνι» που βρίσκεται στο εσωτερικό του, το οποίο ασκεί πίεση προς τα έξω. Κάποια στιγμή κάθε άστρο ξεμένει από «καύσιμα», σταματά η σύντηξη στον πυρήνα του και χάρη στη βαρύτητα το άστρο καταρρέει.

Για αστέρια όπως ο Ήλιος του δικού μας συστήματος, αυτή η κατάρρευση διακόπτεται όταν τα ηλεκτρόνια στα άτομα του αστεριού έρχονται τόσο κοντά, ώστε να δημιουργηθεί μια κβαντική μηχανική δύναμη ,που ονομάζεται πίεση εκφυλισμού των ηλεκτρονίων. Αποτέλεσμα η δημιουργία των αστεριών που ονομάζονται λευκοί νάνοι.

Το 1930 ο ινδός φυσικός Subrahmanyan Chandrasekhar έδειξε ότι δεδομένης μιας συγκεκριμένης ποσότητας μάζας, η βαρύτητα ενός αστεριού μπορούσε να ξεπεράσει την πίεση εκφυλισμού των ηλεκτρονίων, συμπιέζοντας όλα τα πρωτόνια και ηλεκτρόνια σε νετρόνια.

Ο φυσικός Robert Oppenheimer διαπίστωσε ότι ένα ακόμη πιο ογκώδες αντικείμενο θα μπορούσε να ξεπεράσει αυτές τις δυνάμεις, επιτρέποντας στη βαρύτητα να «κερδίσει», συνθλίβοντας τα πάντα σε ένα μόνο σημείο.

Οι επιστήμονες άρχισαν να αποδέχονται ότι αυτά τα αντικείμενα ήταν πραγματικά, και όχι απλά περίεργες μαθηματικές λύσεις στις εξισώσεις της Θεωρίας της Σχετικότητας.

Το 1967 ο φυσικός John Wheeler χρησιμοποίησε τον όρο «μαύρη τρύπα» για να τα περιγράψει σε μια δημόσια διάλεξη.

Το 1974 ο Στίβεν Χόκινγκ έκανε την πιο διάσημη ανακάλυψή του: οι μαύρες τρύπες μπορούν να εκπέμπουν ακτινοβολία.

Ο ίδιος συνειδητοποίησε ότι αν ένα σωματίδιο και το αντισωματίδιό του εμφανίζονταν στην άκρη του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, κάτι περίεργο θα έπρεπε να συμβαίνει. Τυπικά, αυτά τα δύο σωματίδια θα έπρεπε να εξολοθρεύσουν το ένα το άλλο και η ενέργειά τους να απελευθερωθεί πίσω στο Σύμπαν. Αν όμως ένα από αυτά «κολλούσε» μέσα στη μαύρη τρύπα, το άλλο θα απομακρυνόταν προς τα έξω, με αποτέλεσμα να παίρνει μαζί του λίγη από την ενέργεια της μαύρης τρύπας. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα, με τον καιρό οι μαύρες τρύπες να… «εξατμίζονται».

Η συλλογιστική αυτή έφερε τους επιστήμονες μπροστά σε ένα δίλημμα: Τι ακριβώς μπορεί να συμβαίνει σε αυτό το σωματίδιο που παραμένει εγκλωβισμένο μέσα σε μια μαύρη τρύπα;

Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, οι πληροφορίες αυτού του σωματιδίου δε μπορούν να καταστραφούν. Όταν όμως ένα σωματίδιο γλιστρήσει πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων, δε μπορεί να ανακτηθεί τίποτα, ούτε οι πληροφορίες κβαντικής μηχανικής.

Τουλάχιστον, αυτό υποστήριζε ο Χόκινγκ για περισσότερα από 30 χρόνια. Μάλιστα, συνεχίζει το δημοσίευμα, έφτασε στο σημείο να βάλει στοίχημα με το φυσικό John Preskill το 1997, ότι η δύναμη της βαρύτητας μιας μαύρης τρύπας μπορεί με κάποιο τρόπο να ξεπεράσει τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.

Το 2004 ο Χόκινγκ αναγκάστηκε να παραδεχτεί ότι είχε κάνει λάθος.

Οι Donald Marolf και Juan Maldacena απέδειξαν αναμφισβήτητα, ότι δεν υπήρχε περίπτωση να καταστραφεί κβαντική πληροφορία και πως υπήρχαν σημεία διαρροής στις μαύρες τρύπες.

Όλοι συμφώνησαν με αυτό το συμπέρασμα, όμως κανείς δεν είχε ιδέα για το πώς ακριβώς συνέβαινε κάτι τέτοιο.
Οι επιστήμονες ήρθαν για άλλη μια φορά αντιμέτωποι με ένα δισεπίλυτο πρόβλημα.

Το σωματίδιο και αντισωματίδιο που ευθύνονταν για όλη αυτήν την «ακαταστασία» ήταν, από άποψη κβαντικής μηχανικής «μπλεγμένα», κάτι που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους ήταν για πάντα συνδεδεμένες.

Ο θεωρητικός φυσικός Polchinski, σε συνεργασία με τον Marolf και άλλους υποστήριξαν το 2012 ότι, προκειμένου όσα ήταν γνωστά γύρω από τις μαύρες τρύπες να είναι αληθινά, θα έπρεπε αυτή η κβαντική διεμπλοκή να διακόπτεται.
Μια τέτοια διαδικασία είναι πιθανή, όμως πολύ βίαιη, με αποτέλεσμα τη δημιουργία τεράστιας ποσότητας ενέργειας στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Αυτή η ενέργεια θα σχημάτιζε έναν τοίχο φωτιάς γύρω από τις μαύρες τρύπες, αποτεφρώνοντας οτιδήποτε ερχόταν κοντά σε αυτές.

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, αν ένας αστροναύτης έπεφτε μέσα σε μια μαύρη τρύπα δε θα παρατηρούσε κάτι ιδιαίτερα διαφορετικό για το Σύμπαν, όταν θα περνούσε τον ορίζοντα γεγονότων. Βέβαια, η πιθανότητα αποτέφρωσής του δεν είναι κάτι που μπορεί να αγνοήσει κανείς.

Έτσι, οι επιστήμονες ήρθαν για άλλη μια φορά αντιμέτωποι με ένα ακόμη δίλημμα: να αγνοήσουν τον Αϊνστάιν και να δεχτούν ότι οι τοίχοι φωτιάς υπάρχουν, ή να εγκαταλείψουν την κβαντική μηχανική και να δεχτούν ότι οι πληροφορίες καταστρέφονται μέσα σε μια μαύρη τρύπα;

Και κάπως έτσι, φτάνουμε στην πρόσφατη δήλωση του Χόκινγκ.

Ο ίδιος πρότεινε να αγνοήσει κανείς τον ορίζοντα γεγονότων και οι επιστήμονες να αναλογιστούν ένα πιο ασαφή όρο γύρω από τις μαύρες τρύπες, που θα ονομάζεται «φαινομενικός ορίζοντας».

Ο εναλλακτικός φαινομενικός ορίζοντας που προτείνει ο Χόκινγκ, φυλακίζει την ύλη και την ενέργεια μόνο προσωρινά, μέχρι τελικά να τις απελευθερώσει ξανά σε διαφορετική μορφή. Σύμφωνα με τον ίδιο, ο φαινομενικός ορίζοντας επιτρέπει στους επιστήμονες να αγνοήσουν τόσο τον ορίζοντα γεγονότων, όσο και τα προβλήματα που ανακύπτουν με τους τοίχους φωτιάς και τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Επιπλέον, φαίνεται να παρέχει λύση και σε ένα άλλο πρόβλημα, αυτό του πώς η πληροφορία μπορεί να δραπετεύσει από μια μαύρη τρύπα. Επειδή η φυλάκιση στο φαινομενικό ορίζοντα είναι μόνο προσωρινή, η ακτινοβολία μπορεί να ξεφύγει από τη μαύρη τρύπα, κουβαλώντας πληροφορίες, αν και σε μια πολύ κωδικοποιημένη και χαοτική μορφή.

Όλα αυτά, φυσικά δε σημαίνουν, καταλήγει ο αρθρογράφος, ότι οι επιστήμονες έχουν λύσει το μυστήριο γύρω από τις μαύρες τρύπες.

Αντίθετα, θα χρειαστεί καιρός προκειμένου η επιστημονική κοινότητα να χωνέψει όσα ακριβώς προτείνει ο Χόκινγκ.

Ήδη ορισμένοι τείνουν να αποδεχτούν τους ισχυρισμούς του, ενώ άλλοι κρατούν αποστάσεις.