Un nou studiu de fizică teoretică sugerează că găurile negre nu s-ar evapora niciodată complet, ceea ce contrazice celebra teorie a fizicianului britanic Stephen Hawking care pare să încalce legile fundamentale ale mecanicii cuantice. În schimb, ipoteza propusă de noul studiu este că găurile negre nu se evaporă complet ci lasă în urmă structuri stabile permanente care păstrează toată informaţia pe care au consumat-o de-a lungul timpului, transmite Live Science care citează un studiu publicat în a doua jumătate a lunii martie în jurnalul General Relativity and Gravitation.
Însă, pentru ca această ipoteză să fie adevărată, Universul ar trebui să mai cuprindă alte trei dimensiuni pe care oamenii nu le pot percepe, ceea ce ar face ca spaţiu-timpul să aibă 7 dimensiuni.
Desigur că această ipoteză este dificil de testat experimental, dar ea corelează găurile negre cu geometria extra dimensiunilor, oferind o abordare proaspătă asupra unuia dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne.
Găurile negre sunt considerate capcane cosmice din care nu poate scăpa nimic. Şi totuşi, începând din anii 1970, fizicienii ştiu că aceste abisuri gravitaţionale nu sunt complet “negre”. Fizicianul britanic Stephen Hawking a propus o teorie conform căreia gările negre emit radiaţii şi se evaporă lent, de-a lungul unor perioade extrem de îndelungate, ceea ce duce la apariţia unei contradicţii cunoscute drept paradoxul informaţiei pierdute.
“Să ne imaginăm că aruncăm o carte în foc”, explică co-autorul noului studiu, Richard Pinčák, cercetător principal la Institutul de Fizică Experimentală al Academiei slovace de Ştiinţe. “Cartea este distrusă, dar în principiu poţi reconstitui fiecare cuvânt din ea din fum, cenuşă şi căldură – informaţia este destructurată nu pierdută”.
Dar atunci când o gaură neagră se evaporă complet, informaţia conţinută de toate obiectele care au căzut în gaura neagră pare să dispară, încălcând un principiu fundamental al mecanicii cuantice care postulează că informaţia nu se poate pierde.
Timp de decenii, fizicienii s-au luptat cu acest paradox. Noul studiu sugerează că răspunsul ar putea să ţină de structura ascunsă a spaţiu-timpului.
Noua cercetare explorează un Univers cu mai multe dimensiuni decât cele patru cu care suntem familiari. În acest cadru teoretic, Universul conţine 7 dimensiuni, dintre care trei sunt compacte şi invizibile la scara vieţii de zi cu zi.
“Noi experimentăm trei dimensiuni ale spaţiului şi una a timpului – în total patru dimensiuni. Modelul nostru propune că Universul are de fapt şapte dimensiuni: cele patru pe care le cunoaştem plus trei extradimensiuni minuscule pe care nu le putem percepe în mod direct”, a precizat Pinčák.
Aceste extradimensiuni sunt dispuse într-o structură de înaltă simetrie cunoscută geometrie G2. Acest cadru matematic, explorat deseori în teorii avansate aşa cum este o variantă a teoriei stringurilor cunoscută drept “M-theory”, determină modul în care sunt amplasate aceste dimensiuni ascunse sau discrete ale Universului.
“Să ne imaginăm acest lucru ca pe un origami. Modul în care împătureşti hârtia determină forma ei finală”, explică Pinčák.
În noul model, această structură geometrică produce un efect fizic denumit torsiune, care poate fi reprezentată ca o răsucire a continuului spaţiu-timp. Acest câmp de torsiune pare să îndeplinească un rol crucial în fizica găurilor negre.
Studiul arată că torsiunea generează o forţă de respingere care devine importantă la scări extrem de mici, aproape de sfârşitul vieţii unei găuri negre. Pe măsură ce gaura neagră se micşorează din cauza radiaţiei Hawking, această forţă contracarează în cele din urmă un colaps suplimentar. “Această forţă de respingere acţionează ca o frână, oprind evaporarea înainte ca gaura neagră să dispară complet”, a spus Pinčák.
În loc să dispară, gaura neagră se stabilizează într-o mică rămăşiţă. Conform modelului, acest obiect rămas are o masă de aproximativ 9×10 la puterea -41 kilograme – de aproximativ 10 miliarde de ori mai mică decât un electron.
De importanţă critică este ca această rămăşiţe infimă a unei găuri negre să poate stoca informaţiile care au căzut în gaura neagră, evitând orice încălcare a principiului de conservare a informaţiei. Conform teoriei, informaţiile sunt codificate în oscilaţii subtile cunoscute sub numele de moduri cvasinormale, care acţionează ca purtători ai datelor pierdute.
Modelul dezvăluie, de asemenea, o legătură neaşteptată cu fizica particulelor: existenţa a trei dimensiuni ascunse, împreună cu prezenţa torsiunii, produce modelul de interacţiuni ale particulelor responsabil pentru mecanismul Higgs, fenomenul care conferă masă particulelor elementare precum electronii şi quarcii.
“Acelaşi câmp de torsiune generează un peisaj energetic potenţial identic ca formă cu cel care conferă masă bosonilor W şi Z – purtătorii forţei nucleare slabe”, a spus Pinčák.
Această legătură leagă comportamentul găurilor negre de scara “electroslabă”, o scară energetică binecunoscută în fizica particulelor ce reprezintă niveluri de energie situate de obicei în jurul valorii de 100 GeV – 246 GeV, la care interacţiunile electromagnetice şi cele slabe se unifică într-o singură forţă, cunoscută sub numele de interacţiune electroslabă.
În ciuda atractivităţii sale, modelul se confruntă cu provocări importante. Descrierea standard a evaporării găurilor negre se bazează pe o aproximare semiclasică, despre care se aşteaptă să se descompună la scări extrem de mici în apropierea masei Planck – aproximativ 10 la puterea -5 grame. Aceasta este scara de masă la care efectele gravitaţionale cuantice devin puternice şi imposibil de ignorat.
“Pe măsură ce gaura neagră se micşorează spre scara Planck, toate modelele existente – inclusiv al nostru – trebuie să se confrunte în cele din urmă cu tranziţia către regimul profund al gravitaţiei cuantice”, a remarcat Pinčák.
În acest regim, este necesară o teorie completă a gravitaţiei cuantice, dar o astfel de teorie rămâne incompletă. Noua lucrare nu pretinde că rezolvă complet această problemă. În schimb, oferă un mecanism concret pentru modul în care ar putea apărea o nouă fizică în stadiul final al evaporării.
“Ceea ce distinge abordarea noastră este că nu susţinem că evaporarea semiclasică funcţionează până la masa rămasă”, a spus Pinčák. “În acel moment, un nou efect fizic preia controlul şi stabilizează configuraţia.”
Testarea directă a teoriei va fi extrem de dificilă. Scările energetice relevante pentru această teorie sunt mult dincolo de raza de acţiune a acceleratoarelor de particule actuale. Cu toate acestea, modelul face predicţii clare care ar putea, în principiu, să fie testate.
De exemplu, acesta prezice că particulele ipotetice Kaluza-Klein asociate cu dimensiuni suplimentare ar trebui să aibă mase de aproximativ 10 la puterea 16 gigaelectronvolţi – cu aproximativ 14 ordine de mărime mai grele decât quark-ul top, cea mai masivă particulă elementară cunoscută. Detectarea unor versiuni mai uşoare ale acestor particule cu acceleratoare actuale sau viitoare ar exclude modelul.
O altă posibilitate implică observarea etapelor finale ale evaporării găurilor negre, în special pentru găurile negre primordiale. Viitoarele telescoape cu raze gamma sau detectoarele de unde gravitaţionale ar putea oferi dovezi indirecte cu privire la existenţa rămăşiţelor stabile ale găurilor negre.
“Punctul important este că predicţiile sunt concrete – modelul poate fi greşit, ceea ce îl face ştiinţific”, a mai spus Pinčák.
Privind în perspectivă, cercetătorii îşi propun să conecteze cadrul lor mai direct la teorii fundamentale precum teoria M (M-Theory) şi să înţeleagă mai bine cum informaţiile sunt stocate în aceste reminiscenţe ale găurilor negre. Dacă se confirmă, ideea că găurile negre lasă în urmă rămăşiţe minuscule, bogate în informaţii, ar putea remodela înţelegerea noastră despre gravitaţie, mecanica cuantică şi structura fundamentală a Universului.
