Her kara deliğin sonu, zaman ve uzayın tersine çevrildiği ve her şeyin giremediği bir beyaz delik mi?
Beyaz deliğe dönüşen bir kara deliği gözlemleyebilirsek, bu kuantum yerçekimine ilk bakışımız olacak.
Her şeyi yutan ve maddenin içeri girmesine veya geri dönmesine izin veren bir "dev" olan kara delik, zaten herkes tarafından iyi biliniyor. Öyleyse, evrende kara deliklere tamamen zıt olan ve maddesi sadece dışarı akıp içeri giremeyen gök cisimleri var mı? Bazı gökbilimciler, bu tür "beyaz deliklerin" yalnızca var olmadığına değil, aynı zamanda kara deliklerin de geleceği olduğuna inanırlar - kara delikteki uzay-zaman bir noktada geri tepecek ve bir beyaz deliğe dönüşecektir. Bu hipotez doğrulanabilirse, bu sadece insanların kuantum yerçekiminin etkisini ilk kez doğrudan gözlemlemesi değil, aynı zamanda evrenin nihai sorusuna da cevaplar bulabilir.
Bu kitaplar büyük bilim adamları tarafından yazılmış olsa bile, ders kitapları hakkında asla batıl inançlara kapılmayın. 1972'de Nobel fizikçi ödülü sahibi Steven Weinberg, Gravitation and Cosmology adlı kitabında kara deliklerin varlığının "çok varsayımsal" olduğunu belirtti. "Evrendeki bilinen herhangi bir nesnenin çekim alanında (kara delik) yoktur" diye yazdı. Ancak tamamen yanılmıştı. Onlarca yıl önce, radyo gökbilimcileri madde bir kara deliğe düştüğünde yayılan sinyali tespit ettiler, ancak bunun farkına varamadılar. Şu anda, evrenin kara deliklerle dolu olduğuna dair birçok kanıtımız var.
Şimdi, bu hikaye beyaz delikte kendini tekrar edebilir. Beyaz delik aslında ters bir kara deliktir ve doğası bir kara deliğin doğasına tamamen zıttır. Başka bir tanınmış ders kitabında, görelilik ustası Bob Wald, "Evrenin herhangi bir bölgesinin bir beyaz deliğe karşılık geldiğine inanmak için hiçbir neden yok" diye yazmıştır - bu, halen mevcut ana görüştür. Bununla birlikte, Fransa, Marsilya'daki ekibim de dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanındaki birkaç araştırma grubu, son zamanlarda kuantum mekaniğinin beyaz deliklerin oluşumuna yardımcı olma olasılığını incelemeye başladı. Yıldızlı gökyüzüne bakıldığında, evrenin her yerinde beyaz delikler de olabilir.
Zaman geri tepmesi
Bir beyaz deliğin varlığından şüphelenilmesinin nedeni, çözülmemiş bir gizemi ortaya çıkarabilmesidir: kara deliğin merkezinde ne olduğu. Kara deliğin kenarında dolaşan ve sonra kara deliğin içine düşen büyük miktarda madde gözlemledik. Tüm bu düşen madde kara deliğin yüzeyinden geçer (biz ona geri dönemeyeceği noktayı gösteren "olay ufku" diyoruz) ve kara deliğin merkezine dikey olarak düşer. Ondan sonra ne oldu? Onun hakkında hiçbir şey bilmiyoruz.
Yerçekimini tanımlamak için en iyi modern fizik teorisi - Einstein'ın genel görelilik teorisi, bir kara delikteki düşen maddenin, "tekillik" dediğimiz, sonsuzluğa yaklaşan yoğunluğa sahip merkezi bir noktaya nihayetinde yoğunlaşacağını öngörür. Bu, gerçekliğin sonuna karşılık gelir. Bu noktada, zamanın kendisi duracak ve her şey yokluğa kaybolacak. Ancak bu tahmin güvenilir değildir, çünkü Einstein'ın teorisinin uygulama alanı kara deliğin merkezini kapsamaz. Burada yerçekimi son derece güçlü hale gelir ve kuantum etkileri göz ardı edilemez. Ne olduğunu anlamak için, kuantum yerçekimi teorisini sunmamız gerekiyor.
Kuantum teorisi genellikle bu tür problemleri çözmek için kullanılır. 20. yüzyılın başında klasik fizik teorileri, çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronların enerjisinin sonsuz bir spiral şeklinde düşeceğini öngörüyordu. Ancak bu gerçek dünyada olmaz. Kuantum teorisi nedenini açıklar: Enerjinin ayrık doğası bu süreci engeller. Bir elektronun enerjisi ancak belirli bir miktarda değişebilir ve sınırlı bir minimum enerji seviyesine sahiptir.
Aynı şekilde kuantum etkileri, uzay-zamanın kendisinin ayrık doğası tarafından belirlenen kara deliğin merkezindeki sonsuz yoğunluğu da önleyebilir. Bu ayrılık, üzerinde çalıştığım döngü kuantum yerçekimi (LQG) gibi kuantum yerçekimi teorileriyle tahmin ediliyor. Bu teoride, yoğunluğun sonsuzluğa yaklaştığı sonsuz küçük nokta yoktur. Uzay, küçük ancak boyutları sınırlı olan bağımsız birimlerden (kuantum) oluşur. Kara deliğe düşen malzeme, "Plank yıldızı" adı verilen ultra yoğun bir duruma sıkıştırılabilir. Ama sonra? Bundan sonra, düşüşün sonunda normal bir madde gibi olacaklar: geri tepme.
Ancak kara delikte geri sıçrayamaz: Kara delikteki madde yalnızca aşağıya doğru hareket edebilir ve sihir budur: Kuantum yerçekimi tüm kara delikte geometrik uzay-zaman geri tepmesini sağlar. Başka bir deyişle, madde kara deliğin merkezinden yeni ve bağımsız bir uzay-zaman bölgesine geçmeye devam ediyor. Orada, sadece madde değil, tüm zaman ve mekan geri tepiyor - buna beyaz delik diyoruz.
Kara delikten beyaz deliğe geçişin sanatsal resmi
Topun zıpladığı zamanki yörüngesi, topun geriye doğru düşme sahnesine benziyor. Aynı şekilde, bir beyaz delik, bir kara deliği tersine kaydeden bir film filmine benzer. Dışarıdan bakıldığında, bir beyaz delik kara delikten farklı değildir: Kara delik ile aynı kütleye sahiptir, bu nedenle nesneler ona çekilecek ve onun etrafında dönecektir. Bununla birlikte, bir kara delik bir ufuk ile çevrilidir ve ufuktan geçen madde içeri girebilir ancak kaçamaz; bir beyaz delik başka bir ufukla çevrilidir ve ufuktan kaçabilir ancak giremez.
İçten dışa
Genel görelilik teorisi, teorik olarak beyaz deliklerin olasılığını öngörür. Beyaz delik, genel görelilik denkleminin kesin çözümüdür. Fakat uzun zamandır bir beyaz delik matematiğin bir ürünü olarak görülüyor ve gerçek hiçbir şeyi temsil etmiyor. Tıpkı geçmişin kara delikleri gibi, çünkü nasıl yaratıldığını görmek zor.
Bununla birlikte, 1930'ların başlarında İrlandalı fizikçi John Lighton Synge, genel görelilik denkleminin çözümü biraz ayarlandığı sürece, kara deliğin geometrik şeklinin bir beyaz deliğe dönüşmeye devam etmesinin mümkün olduğunu keşfetti. Kuantum mekaniği bu tür ayarlamalara izin verir.
Peki beyaz delik nerede? İnsanlardan uzak mı olacak? Bir solucan deliği ile mi bağlı yoksa başka bir evrende mi? Hayır, bu garip tahminlere ihtiyacımız yok. Gelecekte kara deliklerin olduğu yerde beyaz delikler ortaya çıkacak. Einstein'ın teorisinin açıkladığı uzay-zamanın özel esnekliğine göre, "merkezin diğer tarafı" muhtemelen kara deliğin geleceğinde olacaktır. Bunu hayal etmek zor, ama sonuç çok basit: yaşamın ilk aşamasında, kara delik "kara" dır ve madde içine düşer; ancak ikinci aşamada, kuantum geçişinden sonra, "beyaz" olacak ve madde Sıçrayın.
Bunu başarmak için, ufkun kara delik ufkundan beyaz delik ufkuna değiştiği bir an olması gerekir. Burada, iyi bilinen bir fenomen olan kuantum tünelleme sayesinde bunu mümkün kılan kuantum teorisidir. Bu, standart klasik fizik denklemlerinin geçici bir ihlalidir ve bu düşük olasılık durumu, insanların güçlü kuantum fenomeni beklemediği yerlerde bile ortaya çıkabilir. Örneğin, kuantum tünelleme nükleer radyoaktivitenin sebebidir. Klasik mekaniğe göre, çekirdekte hapsolmuş bir parçacık kaçamaz, ancak kuantum teorisi onu hapseden ve çekirdeğin dışına yayılan engellerden geçmesine izin verir.
Tünel açma zaman alır. Radyoaktif malzemeler, binlerce yıldır yarı kararlı bir durumda kalmıştır. Benzer şekilde kara deliklerin uzun bir ömrü vardır. Klasik teoriye göre kara delikler sonsuz olacak. Ama hiçbir şey ebedi değildir. Stephen Hawking, kara deliklerin kuantum teorisine göre yavaş yavaş buharlaşıp küçüleceğini kanıtladı. Bir kara delik küçüldüğünde beyaz deliğe dönüşme olasılığı artar. Bir noktada geçiş gerçekleşecek. Yine önemli olan, zamanın ve mekanın kendisinin geometrik yapısıdır. Klasik genel görelilik denklemlerine göre evrimleşmedi, ancak aniden bir kara deliğin ufkundan bir beyaz deliğe tünellendi.
Ancak şaşırtıcı bir şey var. Gördüğümüz kara delikler milyonlarca yaşında, bu nedenle büyük bir kara deliğin bir beyaz deliğe tünel açması uzun zaman alıyor. Ancak kara deliğe düşen madde birkaç saniye içinde hızla merkeze ulaşacaktır. Aynı hızda tekrar sekecek. Bir beyaz delik oluşturmak uzun zaman alıyorsa, madde beyaz deliği bu kadar çabuk terk ettiğini nasıl bulur?
Cevap büyüleyici. Genel görelilikte zaman çok esnektir. Deniz seviyesinde zamanın dağlara göre daha yavaş geçtiğini biliyoruz. (İlki dünyanın merkezine daha yakındır) Devasa bir yıldıza veya kara deliğe yaklaşırken zaman daha da yavaşlayacaktır. Bu, bulmacayı yanıtlar: Bir kara delik (veya beyaz delik) içinde kısa bir süre, deliğin dışında uzun bir süreye karşılık gelir. Dışarıdan, deliğin içsel gelişimi bir sekme gibidir, ancak hızı çok yavaştır. Evreni gözlemleyerek görülen kara delikler (beyaz delikler) sadece çöküp geri seken bazı nesneler olabilir, onları dışarıdan abartılı ağır çekimde görüyoruz.
Bu fikrin bir başka avantajı da ünlü kara delik bilgi paradoksunu çözmesidir - bilginin doğada asla tamamen yok olmayacağını umuyoruz, ancak zaman bir kara delikte biterse, bilgi yok olacaktır. Çözüm basit: Eğer herhangi bir şey sonunda geri dönerse, kaybolan bilgiler geri yüklenecektir.
Kesin olmak gerekirse, bilgi paradoksu bundan daha inceliklidir. Ufuk alanının bir kara deliğin içinde bulunabilecek farklı konfigürasyonların sayısını sınırladığına dair yaygın bir inanıştan kaynaklanmaktadır. Seçmek için çok az konfigürasyon varsa, düşen maddenin özellikleri kaybolacak ve bilgiler de kaybolacaktır.
Ancak bu görüşün yanlış olduğuna ikna oldum. Bir kara deliğin dış davranışını kontrol eden dışarıdan ayırt edilebilen konfigürasyonların sayısı karıştırılırken, içeriden ayırt edilebilen konfigürasyon sayısı çok daha fazladır ve bu konfigürasyonlar ufuk küçüldüğünde bile artar. Bir kara deliğin içi ufku küçük olsa bile çok büyük olabilir. Bu bir şişe gibidir, darboğaz küçüktür, ancak şişenin hacmi büyük olabilir. Böyle bir kara delik, daha sonra kara delik tarafından serbest bırakılan birçok bilgi içerebilir.
Bütün bunlar kara deliklerin yaşam evrimi için cazip bir fikir veriyor: Kara deliğin içinde tekillik yok ve zamanın ve uzayın bittiği yer de yok. Dışarıdan kara delikler sonsuz değildir. Aksine, bir noktada kara delik beyaz bir delik haline gelecek ve içine düşen şey kaçacaktır.
Beyaz deliği görüyor musun?
Teorik olarak, bu fikir çok güzel. Bu, evrenin gerçekten beyaz deliklerle dolu olduğu anlamına mı geliyor? Varsa onları görebilir miyiz?
Cevap, henüz tam olarak anlamadığımız şeye bağlıdır. Gözlemlenebilir evrendeki kara deliklerin çoğu yıldızların çökmesiyle oluşur. Bu kara delikler çok genç ve beyaz bir deliğe tünel açamayacak kadar büyük - büyük kara delikler daha uzun ömürlüdür. Ancak Büyük Patlama'dan kısa süre sonra, erken evrenin sert ortamında daha küçük kara delikler oluşmuş olabilir. Bu orijinal kara delikler beyaz deliklere tünel açmış olabilir veya beyaz deliklere dönüşüyor olabilir. Ancak sayılarından emin değiliz, bu da mevcut beyaz deliğin tahminini belirsizleştiriyor.
Diğer bir belirsizlik faktörü, kara deliğin ömrüdür. İnsanlar ayrıntılı hesaplamalar için döngü kuantum yerçekimi teorisini ortaya attılar, ancak bu hesaplamalar yaklaşık değerlere dayanıyor ve kesin değil. Yine de, buharlaşma süresi sınırının altındaki en uzun ömür ile kuantum olaylarının meydana gelmesi için gereken en kısa ömür arasında hala oldukça sağlam bir aralığa sahibiz. Bu, bazı ön sonuçlara varmamızı sağlar.
Kara deliğin ömrü çok uzunsa, o zaman sadece küçük ilkel kara delik bir beyaz delik haline gelmiştir. Bu, mevcut evrendeki çoğu beyaz deliğin çok küçük olduğu anlamına gelir. Bir beyaz deliğin en küçük boyutu yalnızca yaklaşık 1 mikrogram veya bir insan saçının kütlesinin yarım inç (yaklaşık 1.27 cm) kadardır.
Bu olasılık çok ilginç, çünkü bu büyüklükteki beyaz delikler nispeten kararlıdır ve evrendeki astronomlar tarafından (dolaylı olarak) tespit edilen gizemli karanlık maddenin bileşenlerinden biri olabilirler. Diğer birçok karanlık madde teorisinin, yeni bir parçacık sınıfı-süpersimetrik parçacıkların tahmin edilmesi gibi mevcut fizik yasalarını değiştirmesi gerekir. Ancak bu hayali parçacıklar tespit edilmediği için insanlar bu teorileri sorguladılar.
Küçük kara deliklerin karanlık maddeyi oluşturduğu hipotezi, yerleşik fizik dışında (yani genel görelilik ve kuantum teorisi) artık yeni teorilere ihtiyaç duymuyor ve mevcut gözlemler bu hipotezi ortadan kaldıramaz. Bu doğruysa ve beyaz delikler gözlemlediysek, onlar karanlık maddedir!
Güçlü sinyal
Ya da bir kara deliğin ömrü çok kısadır, bu nedenle bugün tünel açılan orijinal kara delik bir asteroit kütlesine sahip olmalıdır ve şiddetli bir şekilde patlayabilir ve kütlesinin çoğu radyasyon şeklinde salınır. Bu, yüksek enerjili kozmik ışınları ve güçlü nabız sinyallerini mikrodalga veya radyo bantlarında salar. İkincisi özellikle büyüleyici, çünkü son zamanlarda radyo teleskoplarıyla benzer bir sinyal tespit ettik: gizemli hızlı radyo patlamaları. Beyaz bir delik görmüş olabiliriz.
Bu sinyallerin gerçekten beyaz deliklerden gelip gelmediğini doğrulayamayız Sonuçta, yalnızca birkaç algılama sonucu vardır ve darbelerin başka kaynakları da olabilir. Ancak büyük bir örnekte bir özellik arayacağız: düz kırmızıya kayma. Uzak, daha genç beyaz deliklerden yayılan sinyaller, daha yakın, daha eski beyaz deliklerden daha kısa dalga boyuna sahiptir. Yeterli veri toplandığında, bu fenomeni yüksek enerjili kozmik ışınlarda veya hızlı radyo sinyallerinde keşfedebiliriz ve ayrıca beyaz deliklerin varlığına dair kanıtlar elde ederiz.
Bir beyaz deliğin varlığının kanıtı nihayet bulunursa, evren anlayışımızda büyük bir adım atacaktır. Bu, insanların kuantum yerçekiminin etkilerini ilk kez doğrudan gözlemlediklerini ve böylece kuantum uzay-zamanın temel fizik anlayışındaki en büyük soruna bir pencere açtığını temsil ediyor.
Son olarak, spekülatif bir fikrim var. Evrenimiz Büyük Patlama'da doğmamış olabilir: önceki çöküş aşamasından geri dönmüş olabilir. Bu olasılık, döngü kuantum yerçekimini ve diğer teorik çerçeveleri takip eder. Kozmik geri tepmenin kuantum mekanizması, kara delikten beyaz deliğe geri tepmeye benzer. Evrenin karanlık maddesindeki Planck beyaz deliği, geri tepmeden önce oluşmuş olabilir. Durum buysa, uzay-zamanın geri teptiği zamanki geometrik şekli, geleneksel kozmolojinin düşündüğü kadar tekdüze değil, buruşuktur çünkü her beyaz delik, uzay-zaman geometrisini delen uzun bir diken gibidir.
Bu gerçek, zaman okunun gizemiyle ilgili olabilir - zaman neden sadece tek bir yönde hareket eder? Zaman oku, insanların genellikle düşündükleri şey olmayabilir, ancak evrenin başlangıç durumunun tikelliği (yani düşük entropi) nedeniyle oluşur. Aksine bu, gözlemcimizin "özel" konumuna ilişkin bir perspektif fenomeni olabilir: hepimiz kara deliğin ve beyaz deliğin dışındayız.
Beyaz delik henüz keşfedilmemiş olsa da, varlığı makul görünüyor.
