Nogle sorte huller sletter din fortid

I den virkelige verden, din fortid bestemmer entydigt din fremtid. Hvis en fysiker ved, hvordan universet starter, hun kan beregne dens fremtid for al tid og al plads.

Men en UC Berkeley-matematiker har fundet nogle typer sorte huller, hvor denne lov bryder sammen. Hvis nogen skulle vove sig ind i et af disse relativt godartede sorte huller, de kunne overleve, men deres fortid ville blive udslettet, og de kunne have et uendeligt antal mulige fremtider.

Sådanne påstande er blevet fremsat i fortiden, og fysikere har påberåbt sig "stærk kosmisk censur" for at bortforklare det. Det er, noget katastrofalt - typisk en forfærdelig død - ville forhindre observatører i faktisk at komme ind i et område i rumtiden, hvor deres fremtid ikke var entydigt bestemt. Dette princip, første gang foreslået for 40 år siden af ​​fysikeren Roger Penrose, holder en hellig idé – determinisme – nøglen til enhver fysisk teori. Det er, givet fortid og nutid, universets fysiske love tillader ikke mere end én mulig fremtid.

Men, siger UC Berkeley postdoc Peter Hintz, matematiske beregninger viser, at for nogle specifikke typer sorte huller i et univers som vores, som udvider sig med en accelererende hastighed, det er muligt at overleve overgangen fra en deterministisk verden til et ikke-deterministisk sort hul.

Hvordan livet ville være i et rum, hvor fremtiden var uforudsigelig, er uklart. Men opdagelsen betyder ikke, at Einsteins almene relativitetsligninger, som hidtil perfekt beskriver udviklingen af ​​kosmos, er forkerte, sagde Hintz, en Clay-forsker.

"Ingen fysiker vil rejse ind i et sort hul og måle det. Dette er et matematisk spørgsmål. Men fra det synspunkt, dette gør Einsteins ligninger matematisk mere interessante, " sagde han. "Dette er et spørgsmål, man egentlig kun kan studere matematisk, men det har fysisk, næsten filosofiske implikationer, hvilket gør det meget fedt."

"Denne ... konklusion svarer til et alvorligt svigt af determinisme i den generelle relativitetsteori, som ikke kan tages let på i lyset af vigtigheden i moderne kosmologi" af accelererende ekspansion, sagde hans kolleger ved universitetet i Lissabon i Portugal, Vitor Cardoso, João Costa og Kyriakos Destounis, og ved Utrecht Universitet, Aron Jansen.

Som citeret af Fysik verden , Gary Horowitz fra UC Santa Barbara, som ikke var involveret i forskningen, sagde, at undersøgelsen giver "det bedste bevis, jeg kender, for en krænkelse af stærk kosmisk censur i en teori om tyngdekraft og elektromagnetisme."

Hintz og hans kolleger offentliggjorde et papir, der beskrev disse usædvanlige sorte huller i sidste måned i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Ud over begivenhedshorisonten

Sorte huller er bizarre genstande, der får deres navn fra det faktum, at intet kan undslippe deres tyngdekraft, ikke engang lys. Hvis du begiver dig for tæt på og krydser den såkaldte begivenhedshorisont, du vil aldrig undslippe.

Til små sorte huller, du ville aldrig overleve en så tæt tilgang alligevel. Tidevandskræfterne tæt på begivenhedshorisonten er nok til at spaghettificere hvad som helst:dvs. strække det, indtil det er en streng af atomer.

Men for store sorte huller, som de supermassive objekter i kernen af ​​galakser som Mælkevejen, som vejer titusinder, hvis ikke milliarder af gange en stjernes masse, at krydse begivenhedshorisonten ville være, godt, begivenhedsløst.

Fordi det burde være muligt at overleve overgangen fra vores verden til verden med sorte hul, fysikere og matematikere har længe undret sig over, hvordan den verden ville se ud, og har henvendt sig til Einsteins ligninger for generel relativitet for at forudsige verden inde i et sort hul. Disse ligninger fungerer godt, indtil en observatør når centrum eller singularitet, hvor i teoretiske beregninger krumningen af ​​rumtiden bliver uendelig.

Selv før man når centrum, imidlertid, en sort huls opdagelsesrejsende – som aldrig ville være i stand til at kommunikere det hun fandt ud til omverdenen – kunne støde på nogle mærkelige og dødbringende milepæle. Hintz studerer en bestemt type sort hul – en standard, ikke-roterende sort hul med en elektrisk ladning – og sådan et objekt har en såkaldt Cauchy-horisont inden for begivenhedshorisonten.

Cauchy-horisonten er stedet, hvor determinismen bryder sammen, hvor fortiden ikke længere bestemmer fremtiden. Fysikere, inklusive Penrose, har hævdet, at ingen observatør nogensinde kunne passere gennem Cauchy-horisontpunktet, fordi de ville blive tilintetgjort.

Som argumentet lyder, når en iagttager nærmer sig horisonten, tiden går langsommere, da ure tikker langsommere i et stærkt gravitationsfelt. Som lys, gravitationsbølger og alt andet, der møder det sorte hul, falder uundgåeligt mod Cauchy-horisonten, en iagttager, der også falder indad, ville til sidst se al denne energi tømme ind på samme tid. Træde i kræft, al den energi, det sorte hul ser gennem universets levetid, rammer Cauchy-horisonten på samme tid, sprænger enhver iagttager, der kommer så langt, i glemmebogen.

Du kan ikke se for evigt i et ekspanderende univers

Hintz indså, imidlertid, at dette måske ikke gælder i et ekspanderende univers, der accelererer, som vores egen. Fordi rumtiden i stigende grad trækkes fra hinanden, meget af det fjerne univers vil slet ikke påvirke det sorte hul, da den energi ikke kan rejse hurtigere end lysets hastighed.

Faktisk, den tilgængelige energi til at falde ned i det sorte hul er kun den, der er indeholdt i den observerbare horisont:det rumfang af universet, som det sorte hul kan forvente at se i løbet af dets eksistens. For os, for eksempel, den observerbare horisont er større end de 13,8 milliarder lysår, vi kan se ind i fortiden, fordi det inkluderer alt det, vi vil se for evigt ind i fremtiden. Den accelererende udvidelse af universet vil forhindre os i at se ud over en horisont på omkring 46,5 milliarder lysår.

I det scenarie, udvidelsen af ​​universet modvirker forstærkningen forårsaget af tidsudvidelse inde i det sorte hul, og i visse situationer, annullerer det helt. I de tilfælde – specifikt, glat, ikke-roterende sorte huller med en stor elektrisk ladning, såkaldte Reissner-Nordström-de Sitter sorte huller – en observatør kunne overleve at passere gennem Cauchy-horisonten og ind i en ikke-deterministisk verden.

"Der er nogle nøjagtige løsninger af Einsteins ligninger, der er perfekt glatte, uden knæk, ingen tidevandskræfter går til det uendelige, hvor alt er perfekt opført op til denne Cauchy-horisont og videre, " han sagde, bemærker, at passagen gennem horisonten ville være smertefuld, men kort. "Efter det, alle væddemål er slået fra; i nogle tilfælde, såsom et Reissner-Nordström-de Sitter sort hul, man kan helt undgå den centrale singularitet og leve evigt i et ukendt univers."

Indrømmet, han sagde, ladede sorte huller er usandsynligt, at der eksisterer, da de ville tiltrække modsat ladet stof, indtil de blev neutrale. Imidlertid, de matematiske løsninger for ladede sorte huller bruges som proxyer for, hvad der ville ske inde i roterende sorte huller, som nok er normen. Hintz hævder, at glat, roterende sorte huller, kaldet Kerr-Newman-de Sitter sorte huller, ville opføre sig på samme måde.

"Det er irriterende, ideen om, at du kunne tage ud med en elektrisk ladet stjerne, der undergår kollaps til et sort hul, og så rejser Alice inde i dette sorte hul, og hvis parametrene for det sorte hul er tilstrækkelig ekstreme, det kunne være, at hun bare kan krydse Cauchy-horisonten, overlever det og når et område af universet, hvor man kender stjernens fuldstændige begyndelsestilstand, hun vil ikke være i stand til at sige, hvad der skal ske, " sagde Hintz. "Det er ikke længere entydigt bestemt af fuld viden om de oprindelige betingelser. Derfor er det meget besværligt«.

Han opdagede disse typer sorte huller ved at slå sig sammen med Cardoso og hans kolleger, hvem beregnede, hvordan et sort hul ringer, når det rammes af gravitationsbølger, og hvilken af ​​dens toner og overtoner holdt længst. I nogle tilfælde, selv den længste overlevende frekvens faldt hurtigt nok til at forhindre forstærkningen i at forvandle Cauchy-horisonten til en død zone.

Hintz' papir har allerede udløst andre papirer, hvoraf den ene foregiver at vise, at de fleste velopdragne sorte huller ikke vil krænke determinismen. Men Hintz insisterer på, at ét tilfælde af krænkelse er ét for meget.

"Folk havde været selvtilfredse i omkring 20 år, siden midten af ​​90'erne, at stærk kosmologisk censur altid bekræftes, " sagde han. "Vi udfordrer det synspunkt."