9304 Nové mapy bizarního, chaotického časoprostoru uvnitř černých děr Lyndie Chiou

[ Ezoterika ] 2025-02-24

Fyzici doufají, že pochopení vířící oblasti v blízkosti singularit by jim mohlo pomoci smířit gravitaci a kvantovou mechaniku...

Úvod
 Na počátku času a ve středu každé černé díry leží bod nekonečné hustoty nazývaný singularita. Abychom prozkoumali tyto záhady, vezmeme to, co víme o prostoru, času, gravitaci a kvantové mechanice, ... a aplikujeme to na místo, kde se všechny tyto věci jednoduše porouchají. Ve vesmíru snad není nic, co by více vyzývalo představivost. Fyzici stále věří, že pokud se jim podaří přijít s koherentním vysvětlením toho, co se skutečně děje v singularitách a kolem nich, objeví se něco objevného, možná nové pochopení toho, z čeho se skládá prostor a čas. Na konci 60. let 20. století někteří fyzici spekulovali, že singularity mohou být obklopeny oblastí vířícího chaosu, kde prostor a čas nahodile rostou a zmenšují se. Charles Misner z University of Maryland jej nazval "Mixmaster universe" podle tehdy populární řady kuchyňských spotřebičů. Pokud by astronaut spadl do černé díry, "lze si představit, že by se části jeho těla smíchaly tak, jako míchač nebo šlehač vajec smíchá žloutek a bílek z vejce," napsal později Kip Thorne, nositel Nobelovy ceny za fyziku. Einsteinova obecná teorie relativity, která se používá k popisu gravitace černých děr, používá jedinou rovnici pole k vysvětlení toho, jak se prostor zakřivuje a hmota se pohybuje. Ale tato rovnice používá matematickou zkratku zvanou tenzor, která skrývá 16 odlišných, propletených rovnic. Několik vědců, včetně Misnera, vymyslelo užitečné zjednodušující předpoklady, které jim umožnily prozkoumat scénáře, jako je vesmír Mixmaster. Bez těchto předpokladů by Einsteinova rovnice nemohla být vyřešena analyticky, a dokonce i s nimi byla příliš komplikovaná pro numerické simulace té doby. Stejně jako spotřebič, po kterém byly pojmenovány, i tyto nápady vyšly z módy.

"Předpokládá se, že tato dynamika je velmi obecným jevem v gravitaci," řekl Gerben Oling, postdoktorandský výzkumník na univerzitě v Edinburghu. "Ale je to něco, co vypadlo z mapy." V posledních několika letech se fyzici znovu zabývají chaosem kolem singularit pomocí nových matematických nástrojů. Jejich cíle jsou dvojí. Jednou z nadějí je ukázat, že aproximace, které Misner a další učinili, jsou platnými aproximacemi Einsteinovy gravitace. Druhým je přiblížit se k singularitám v naději, že jejich extrémy pomohou smířit obecnou teorii relativity s kvantovou mechanikou v teorii kvantové gravitace, což je cílem fyziků již více než sto let. Jak řekl Sean Hartnoll z Cambridgeské univerzity: "Nyní dozrál čas, aby se tyto myšlenky plně rozvinuly." Zrození mixmastera Chaose Thorne popsal konec 60. let jako "zlatý věk" pro výzkum černých děr. Termín "černá díra" se začal široce používat teprve nyní.

V září 1969 při návštěvě Moskvy dostal Thorne rukopis od Jevgenije Lifšitze, významného ukrajinského fyzika. Společně s Vladimirem Belinskim a Isaakem Khalatnikovem našel Lifschitz nové řešení Einsteinových gravitačních rovnic v blízkosti singularity, a to za použití předpokladů, které tito tři vymysleli. Lifšic se obával, že sovětští cenzoři zpozdí zveřejnění výsledku, protože byl v rozporu s dřívějším důkazem, jehož byl spoluautorem, a tak požádal Thorna, aby se o něj podělil na Západě. V roce 1916, krátce poté, co Einstein navrhl rovnice obecné teorie relativity, přišel Karl Schwarzschild s prvním přesným řešením, které předpovědělo existenci černých děr.

Veřejně dostupné
 Dřívější modely černých děr předpokládaly dokonalé symetrie, které se v přírodě nenacházely, například předpokládaly, že hvězda byla dokonalou koulí před tím, než se zhroutila do černé díry, nebo že neměla žádný čistý elektrický náboj. (Tyto předpoklady umožnily, aby Einsteinovy rovnice vyřešil v nejjednodušší formě Karl Schwarzschild krátce poté, co je Einstein publikoval.) Řešení, které Belinski, Khalatnikov a Lifschitz našli a které se začalo nazývat BKL řešení podle jejich iniciál, popisovalo, co by se mohlo stát v chaotické, realističtější situaci, kdy se černé díry tvoří z objektů nepravidelného tvaru. Výsledkem nebylo hladké rozpínání prostoru a času uvnitř, ale rozbouřené moře prostoru a času, které se rozpíná a stlačuje do mnoha směrů. Thorne propašoval noviny zpět do Spojených států a poslal kopii Misnerovi, o kterém věděl, že uvažuje v podobném duchu. Ukázalo se, že Misner a sovětská skupina nezávisle na sobě dospěli ke stejným myšlenkám za použití podobných předpokladů a různých technik.

A co víc, skupina BKL "ji použila k vyřešení největšího nevyřešeného problému té doby v matematické teorii relativity," řekl Thorne, ... týkající se existence toho, co je známo jako "generická" singularita. Belinski, poslední žijící člen tria BKL, nedávno v e-mailu uvedl, že Misnerovy živé popisy mu na oplátku pomohly představit si chaotickou situaci v blízkosti singularit, které oba odhalili.


Isaak Khalatnikov, Vladimir Belinski a Jevgenij Lifšic objevili chaotické singularity černých děr koncem 60. let 20. století. V té době byli Chalatnikov a Lifšic dva z nejvýznamnějších sovětských fyziků, zatímco Belinski studoval na postgraduální škole. Pochopení něčeho z toho, co odhalili, vyžaduje pochopení způsobů, jakými jsou obecná teorie relativity a kvantová mechanika ve vzájemném rozporu. Pozoruhodné je, že teorie relativity předpokládá, že časoprostor musí být spojitý: Můžete se dívat na libovolně malé vzdálenosti a nikdy v nich nenajdete mezeru. V kvantové mechanice však ztrácí smysl mluvit o vzdálenostech menších než je limit zvaný Planckova délka - za touto hranicí nemůžeme vědět, že v časoprostoru nejsou žádné mezery. Ale obě teorie mají jedno společné. Obojí je hluboce neintuitivní...! Tyto vzorce mohou naznačovat skrytou strukturu gravitace.

Sean Hartnoll, University of Cambridge Relativity tvrdí, že dvě oblasti prostoru mohou být odpojeny, což znamená, že nic, co se odehrává v jedné oblasti, nemůže mít žádný možný vliv na druhou. To může být jednoduše proto, že jsou daleko od sebe - rychlost světla je koneckonců konečná. Ale oblasti časoprostoru mohou být také odpojeny nebo odpojeny v přítomnosti silných gravitačních polí, jako jsou ta, která se nachází v černé díře a kolem ní. Tato pole zpomalují tok času natolik, že se interakce stává nemožnou. Například vnitřek a vnějšek černé díry jsou odděleny hranicí zvanou horizont událostí. Protože gravitace černých děr je tak silná, cokoliv, co se odehrává uvnitř horizontu událostí, nemůže být nikdy pozorováno z vnějšku černé díry, podle teorie relativity.

Kvantová mechanika přináší další komplikace. Protože silná gravitační pole mohou způsobit oddělení prostoru, skupina BKL tvrdila, že když se přiblížíte k singularitě, silná gravitace způsobí, že se každý bod ve vesmíru oddělí od všech ostatních. To znamená, že každá malá část prostoru se chová podle svých vlastních podmínek, a to činí matematiku mnohem jednodušší (i když stále poměrně komplikovanou. Pokud dojde k odpojení, vnitřek černé díry je mišmaš - poněkud odlišný od hladkého rozpínání prostoru a času, které navrhovalo Schwarzschildovo dřívější řešení. Jak vysvětlil Hartnoll, ačkoli argument BKL nebyl podle matematických standardů zcela rigorózní, dokud tuto myšlenku nepředložili, nikdo nepředpokládal, že dojde k oddělení. BKL předběhli svou dobu. V jejich pojetí se kolem každého odděleného bodu prostor rozprostírá v náhodném směru a stlačuje se v dalších dvou kolmých směrech. Poté, po krátké, ale náhodné době, se převrátí, roztáhne se v jednom z dříve zmáčknutých směrů a rozmačká se v dalších dvou. To si lze představit jako extrémně prodloužený fotbalový míč, který neustále "poskakuje" mezi různými orientacemi.

Sean Hartnoll analyzoval chaotické chování uvnitř černých děr v naději, že přijde s kvantovou teorií gravitace. S laskavým svolením Seana Hartnolla Po celá desetiletí chtěli fyzici a matematici ukázat, že tato chaotická dynamika není artefaktem zjednodušujícího předpokladu oddělení, ale je vlastní černým dírám. Na počátku roku 2000 exponenciálně rostoucí výpočetní výkon a nové algoritmy umožnily provádět numerické simulace, které byly v souladu s oddělením. Přibližně ve stejné době Marc Henneaux, Thibault Damour a Hermann Nicolai prokázali existenci řady spletitých symetrií v blízkosti singularity, aniž by předpokládali, že musí dojít k oddělení. Od té doby fyzici a matematici pracují na tom, aby zjistili, kdy se chaos objeví v blízkosti singularity, a zjistili víc o samotných singularitách.

Zjednodušující hologram
V roce 1997 objevil Juan Maldacena, fyzik nyní působící na Institute for Advanced Study, korespondenci, známou jako AdS/CFT, mezi dvěma různými verzemi časoprostoru: vícedimenzionálním časoprostorem nazývaným objemový a nízkodimenzionálním časoprostorem zvaným hranice. Tato korespondence je často srovnávána se způsobem, jakým hologram může způsobit, že dvourozměrné struktury se zdají být trojrozměrné. Také se nazývá dualita a znamená to, že řešení dosažená v jednom ze dvou zjednodušených vesmírů hraček platí i pro ten druhý. Na počátku roku 2000 Marc Henneaux objevil existenci složitých symetrií v chaotických vnitřcích černých děr. Collège de France Gravity se objevuje pouze na vysokodimenzionální straně korespondence, nazývané anti-de Sitterův prostor nebo AdS. Na hraniční straně není žádná gravitace. Interakce mezi částicemi se zde řídí pouze verzí kvantové mechaniky nazývanou konformní teorie pole nebo CFT.

Člověk může použít AdS/CFT k položení složitého problému na jedné straně, jeho přeložení do jednodušší formy na straně druhé a zpětnému překladu řešení - extrémně mocný nástroj pro fyziky, kteří se snaží porozumět gravitačním jevům, jako jsou černé díry. (Některé problémy jsou jednodušší na straně AdS, zatímco jiné jsou jednodušší na straně CFT.)

V roce 2019 se Hartnoll, tehdy profesor na Stanfordu, spolu se svými studenty rozhodl použít korespondenci ke zjištění, co se děje uvnitř černé díry AdS. "Důvodem, proč jsme to chtěli udělat," řekl Hartnoll, "je spojit vnitřek černé díry, který není dobře pochopen, se vzdálenou oblastí, která je dobře pochopena." Zjistili chaos podobný tomu, který BKL objevila již dříve. Během posledního půl desetiletí on a jeho spolupracovníci pokračovali v používání korespondence k analýze dynamiky černých děr. Poté, co Hartnoll poprvé objevil chaos podobný BKL v AdS/CFT, ostatní se snaží zjistit, co přesně způsobuje jeho vznik. Oling říká, že Hartnollův objev Mixmasteru v černých dírách AdS/CFT byl překvapením.

Hartnollův tým "zjistil, že toto chování se objevuje v prostředích, kde by to nečekali," řekl. Společně s Juanem Pedrazou z Institutu pro teoretickou fyziku v Madridu Oling ukázal, že vzniká i v modelu hraček AdS/CFT, kde je rychlost světla nastavena na nulu. Oling řekl, že Henneaux, mimo jiné, očekával, že by se to mohlo stát, ale že důkaz nebyl daný. "Pro mě to není zřejmé," řekl Oling, "protože tu teorii opravdu hodně zjednodušujete." Paralelně s tím matematici přistupují k chaosu podobnému BKL ze svého vlastního směru tím, že ořezávají předpoklady potřebné k dokazování, že chaos vzniká, a zjišťují, zda musí nastat i bez předpokladu oddělení. Jak se dalo očekávat, modelování chaotických a nepředvídatelných odrazů v časoprostoru je výzvou. Naposledy se Hartnoll a jeho student Ming Yang pokusili zprůměrovat mnoho odrazů v černé díře. V preprintu, který sdíleli 4. února 2025, našli vzor využívající tuto techniku související s abstraktními matematickými funkcemi nazývanými modulární formy. To naznačuje, že k pochopení chaosu lze použít známý matematický jazyk. "Tyto vzorce mohou naznačovat skrytou strukturu gravitace," řekl Hartnoll. "To by mohlo usnadnit formulaci kvantové teorie gravitace." I když nám horizont událostí brání v přímém pozorování chaosu uvnitř černých děr, vědět, že tam je a co to znamená, by mohlo ukázat cestu k nové fyzice a k odpovědím na některé z našich největších otázek o realitě samotné...

Zdroj: https://www.bibliotecapleyades.net/universo/esp_agujero_negro137.htm
Zpět