Ud over det sorte huls singularitet

Vores første glimt ind i den fysik, der findes nær midten af ​​et sort hul, bliver muliggjort ved hjælp af "loop quantum tyngdekraft" - en teori, der bruger kvantemekanik til at strække gravitationsfysikken ud over Einsteins teori om generel relativitet. Sløjfe kvantegravitation, stammer fra Penn State og efterfølgende udviklet af et stort antal forskere verden over, åbner et nyt paradigme inden for moderne fysik. Teorien er kommet frem som en førende kandidat til at analysere ekstreme kosmologiske og astrofysiske fænomener i dele af universet, som sorte huller, hvor ligningerne for generel relativitet ophører med at være nyttige.

Tidligere arbejde med loop -kvantegravitation, der var meget indflydelsesrig i feltet, analyserede Big Bangs kvantekarakter, og nu udvider to nye papirer af Abhay Ashtekar og Javier Olmedo fra Penn State og Parampreet Singh ved Louisiana State University disse resultater til sorte hulinteriører. Papirerne vises som "Redaktørers forslag" i tidsskrifterne Fysisk gennemgangsbreve og fysisk gennemgang den 10. december, 2018 og blev også fremhævet i en Viewpoint -artikel i tidsskriftet Fysik .

"Den bedste tyngdekraftsteori, vi har i dag, er generel relativitet, men det har begrænsninger sagde Ashtekar, Evan Pugh professor i fysik, indehaver af Eberly Family Chair in Physics, og direktør for Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "For eksempel, generel relativitet forudsiger, at der er steder i universet, hvor tyngdekraften bliver uendelig, og rumtiden simpelthen slutter. Vi omtaler disse steder som 'singulariteter'. Men selv Einstein var enig i, at denne begrænsning af generel relativitet skyldes, at den ignorerer kvantemekanikken. "

I midten af ​​et sort hul er tyngdekraften så stærk, at, ifølge generel relativitet, rumtid bliver så ekstremt buet, at krumningen i sidste ende bliver uendelig. Dette resulterer i, at rumtid har en spids kant, ud over hvilken fysik ikke længere eksisterer - singulariteten. Et andet eksempel på en singularitet er Big Bang. At spørge, hvad der skete før Big Bang, er et meningsløst spørgsmål i generel relativitet, fordi rumtiden slutter, og der er ingen før. Men ændringer af Einsteins ligninger, der inkorporerede kvantemekanik gennem loop -kvantegravitation, tillod forskere at strække fysikken ud over Big Bang og lave nye forudsigelser. De to nyere aviser har opnået det samme for sorte huls singularitet.

"Grundlaget for loop-kvantegravitation er Einsteins opdagelse af, at rumtidens geometri ikke bare er et stadium, hvor kosmologiske begivenheder udføres, men det er i sig selv en fysisk enhed, der kan bøjes, "sagde Ashtekar." Som en fysisk enhed består rumtidens geometri af nogle grundlæggende enheder, ligesom stof består af atomer. Disse geometrienheder - kaldet 'kvante excitationer' - er størrelsesordener mindre, end vi kan opdage med nutidens teknologi, men vi har præcise kvanteligninger, der forudsiger deres adfærd, og et af de bedste steder at lede efter deres effekter er i midten af ​​et sort hul. "Ifølge generel relativitet, i midten af ​​et sort hul bliver tyngdekraften uendelig, så alt, hvad der går ind, herunder de oplysninger, der er nødvendige til fysiske beregninger, er tabt. Dette fører til det berømte 'informationsparadoks', som teoretiske fysikere har kæmpet med i over 40 år. Imidlertid, kvantekorrektionerne af sløjfe -kvantegravitation giver mulighed for en frastødende kraft, der kan overvælde selv den stærkeste træk af klassisk tyngdekraft, og derfor kan fysik fortsat eksistere. Dette åbner en vej for detaljeret at vise, at der ikke er tab af information i midten af ​​et sort hul, som forskerne nu forfølger.

Interessant nok, selvom loop -kvantegravitation fortsætter med at fungere, hvor den generelle relativitet går i stykker - sorte huls singulariteter, Big Bang - dens forudsigelser matcher dem med generel relativitet ganske præcist under mindre ekstreme omstændigheder væk fra singulariteten. "Det er meget ikke-trivielt at opnå begge dele, sagde Singh, lektor i fysik i Louisiana State. "Ja, en række forskere har undersøgt kvantetypen af ​​sorte huls singularitet i løbet af det sidste årti, men enten var singulariteten fremherskende, eller mekanismerne, der løste den, udløste unaturlige virkninger. Vores nye arbejde er fri for alle sådanne begrænsninger. "