Η φυσική είναι γεμάτη από θεωρίες που κάποτε έμοιαζαν προορισμένες να εξηγήσουν τα πάντα. Μια θεωρία μπορεί να κυριαρχεί για δεκαετίες ή και αιώνες, μέχρι να εμφανιστούν νέα πειραματικά δεδομένα ή μια πιο ισχυρή ιδέα. Τότε, μένει πίσω ως ένα ακόμη απολίθωμα στην επιστημονική ιστορία.
Η θερμοδυναμική, όμως, μοιάζει περισσότερο με τον κροκόδειλο της φυσικής: ένα αμετάβλητο, αρχαίο «ζώο» που επέζησε από τις μεγάλες ανατροπές του πεδίου, από την κβαντομηχανική έως τη σύνδεση χώρου και χρόνου σε ένα ενιαίο πλέγμα και την ανακάλυψη της διαστελλόμενης διαστολής του σύμπαντος. Η θερμοδυναμική άντεξε σε όλα αυτά. Ακόμη και ο Αλμπερτ Αϊνστάιν πίστευε ότι θα ξεπερνούσε σε διάρκεια την κβαντική θεωρία και τη γενική σχετικότητα, δύο πεδία στα οποία ο ίδιος συνέβαλε καθοριστικά.
Τώρα, όμως, φαίνεται πως ίσως βρέθηκε μπροστά στην πραγματική της δοκιμασία: μια ακραία μαύρη τρύπα, ένα θεωρητικό είδος κοσμικού γίγαντα που βρίσκεται στα όρια της γενικής σχετικότητας. Ένας από τους βασικούς νόμους της θερμοδυναμικής των μαύρων τρυπών υποστηρίζει ότι η φύση δεν θα μπορούσε ποτέ να δημιουργήσει κάτι τέτοιο. Νεότερη όμως έρευνα δείχνει ότι ίσως να υπάρχει ένα παραθυράκι.
Για να γίνει σαφές γιατί αυτό έχει σημασία, πρέπει να επιστρέψουμε στις αρχές της δεκαετίας του 1970, όταν η σύγχρονη κατανόηση των μαύρων τρυπών μόλις διαμορφωνόταν. Ο Τζέικομπ Μπέκενσταϊν, τότε μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον, επισήμανε ότι η ύλη που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα φαίνεται να εξαφανίζεται από το παρατηρήσιμο σύμπαν, παίρνοντας μαζί της και την εντροπία της.
Η εντροπία δείχνει πόσοι μικροσκοπικοί συνδυασμοί μπορούν να δώσουν την ίδια παρατηρήσιμη κατάσταση. Ας φανταστούμε ένα ποτήρι νερό πάνω σε ένα τραπέζι. Για εμάς έχει μια προφανή θερμοκρασία, όγκο και πίεση, όμως τα μόρια στο εσωτερικό του μπορούν να είναι τοποθετημένα και να κινούνται με αμέτρητους διαφορετικούς τρόπους, ενώ το ποτήρι συνολικά δείχνει ακριβώς το ίδιο. Η εντροπία είναι ένα ιδιαίτερα ισχυρό εργαλείο, αφού η καταμέτρηση αυτών των συνδυασμών μπορεί να βοηθήσει να καταλάβουμε ποια είναι τα μικροσκοπικά συστατικά ενός συστήματος. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η συνολική εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος αυξάνεται πάντα με τον χρόνο. Τι συμβαίνει, λοιπόν, όταν κάτι πέφτει σε μια μαύρη τρύπα και περνά ένα όριο πέρα από το οποίο δεν μπορεί να επιστρέψει ποτέ; Δεν μπορεί απλώς να εξαφανίζεται από το κοσμικό «λογιστικό βιβλίο» της εντροπίας. Ο Μπέκενσταϊν πρότεινε μια ριζοσπαστική λύση: οι μαύρες τρύπες πρέπει να έχουν δική τους εντροπία.
Ο φυσικός Στίβεν Χόκινγκ αρχικά αντέδρασε. Αν μια μαύρη τρύπα είχε εντροπία, η θερμοδυναμική θα υπαγόρευε ότι πρέπει να έχει και θερμοκρασία. Και οτιδήποτε έχει θερμοκρασία εκπέμπει ακτινοβολία. Αυτό ήταν δύσκολο να συμβιβαστεί με το βασικό χαρακτηριστικό της μαύρης τρύπας: ότι τίποτα δεν δραπετεύει από αυτήν. Όταν όμως οι φυσικοί, ανάμεσά τους και ο Χόκινγκ, έκαναν τους υπολογισμούς με την κβαντομηχανική, είδαν ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν τελικά ένα αμυδρό φως, τη λεγόμενη ακτινοβολία Χόκινγκ. Επομένως, είχαν θερμοκρασία.
Κάνοντας τους υπολογισμούς, οι φυσικοί παρατήρησαν και μια εντυπωσιακή ομοιότητα ανάμεσα στους νόμους που διέπουν τις μαύρες τρύπες και στους νόμους της θερμοδυναμικής, οι οποίοι αφορούν τη μετατροπή έργου, εντροπίας και ενέργειας στις μηχανές. Υπήρχαν μάλιστα πολύ ισχυρές αντιστοιχίες ανάμεσα στη συμπεριφορά των μαύρων τρυπών και στους δύο πρώτους νόμους της θερμοδυναμικής, που λένε ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί και ότι η εντροπία δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί σε ένα κλειστό σύστημα.
Οι φυσικοί είχαν λίγους λόγους να πιστεύουν ότι ο τρίτος νόμος θα ήταν διαφορετικός. Στη συνηθισμένη θερμοδυναμική, ο τρίτος νόμος λέει ότι δεν μπορείς να ψύξεις ένα σύστημα μέχρι το απόλυτο μηδέν. Όσο πιο κρύο γίνεται, τόσο δυσκολότερο είναι να αφαιρεθούν τα τελευταία ίχνη θερμότητας, μέχρι το σημείο όπου η επίτευξη του μηδέν θα απαιτούσε αδύνατο χρόνο ή αδύνατη προσπάθεια.
Θεωρούνταν ότι και οι μαύρες τρύπες λειτουργούν με τον ίδιο κανόνα. Μια μαύρη τρύπα περιγράφεται από μόλις τρεις αριθμούς: τη μάζα, το ηλεκτρικό της φορτίο και τη στροφορμή της. Από αυτά μπορεί κανείς να υπολογίσει το εμβαδόν του ορίζοντα γεγονότων, τη θερμοκρασία και την εντροπία της. Και, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο, έμοιαζε αδύνατο μια μαύρη τρύπα να φτάσει ποτέ ακριβώς στο μηδέν της θερμοκρασίας ή να σταματήσει εντελώς να εκπέμπει ακτινοβολία Χόκινγκ.
Όμως, το 2024, ο Κριστόφ Κέλε στο Massachusetts Institute of Technology και ο Ράιαν Άνγκερ στο University of California, Berkeley, απέδειξαν ότι τέτοιες ακραίες μαύρες τρύπες, όπως ονομάζονται, θα μπορούσαν πράγματι να υπάρχουν. Έτσι, ο τρίτος νόμος της φυσικής των μαύρων τρυπών ίσως να μην είναι και τόσο νόμος.
«Οι ακραίες μαύρες τρύπες θεωρούνταν ένα ιδεατό, ανέφικτο όριο: κάτι που μπορείς να γράψεις ως λύση, αλλά δεν θα μπορούσε ποτέ να επιτευχθεί [μέσω οποιασδήποτε πραγματικής φυσικής] διαδικασίας. Εμείς αποδείξαμε ότι αυτό ήταν λάθος», λέει ο Κέλε.
Δεν θεωρούσαμε ότι αυτός ο τρίτος νόμος για τις μαύρες τρύπες ήταν σωστός μόνο επειδή έμοιαζε με τη θερμοδυναμική. Φαινόταν επίσης να προστατεύει το υπόλοιπο της φυσικής.
Οι φορτισμένες και περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν δύο ορίζοντες. Ο εξωτερικός είναι ο γνωστός ορίζοντας γεγονότων, το σημείο πέρα από το οποίο τίποτα δεν επιστρέφει. Πιο μέσα βρίσκεται ο ορίζοντας Cauchy. Αν τον διασχίσεις, η γενική σχετικότητα σταματά να λέει τι θα συμβεί μετά: ακόμη και η πλήρης γνώση του παρελθόντος δεν αρκεί για να προβλεφθεί το μέλλον.
Ο μαθηματικός φυσικός Ρότζερ Πένροουζ πίστευε ότι ο ορίζοντας Cauchy θα έμενε πάντα με ασφάλεια μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, κρατώντας τη μοναδικότητα στο κέντρο της μαύρης τρύπας κρυμμένη από το υπόλοιπο σύμπαν. Ονόμασε αυτή την ιδέα κοσμική λογοκρισία: έναν μηχανισμό προστασίας που εμποδίζει να δούμε ένα σημείο όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν, μια λεγόμενη γυμνή μοναδικότητα.
Όμως, η βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας αντισταθμίζεται από το φορτίο και τη στροφή της. Αν αυξηθεί κάποιο από αυτά τα χαρακτηριστικά, ο ορίζοντας Cauchy επεκτείνεται ενώ ο ορίζοντας γεγονότων συρρικνώνεται. Κάποια στιγμή οι δύο ορίζοντες συμπίπτουν σε ένα όριο που λέγεται ακραίοτητα. Τότε η βαρυτική ένταση στον ορίζοντα γεγονότων, ένα μέγεθος γνωστό ως επιφανειακή βαρύτητα, πέφτει στο μηδέν. Επειδή η θερμοκρασία Χόκινγκ μιας μαύρης τρύπας είναι ανάλογη αυτής της επιφανειακής βαρύτητας, μια ακραία μαύρη τρύπα έχει μηδενική θερμοκρασία και δεν εκπέμπει θερμική ακτινοβολία Χόκινγκ.
Οι ακραίες μαύρες τρύπες βρίσκονται στο όριο αυτής της κοσμικής ζώνης κινδύνου — ακριβώς τη στιγμή που ο ορίζοντας Cauchy απειλεί να καλύψει τον ορίζοντα γεγονότων και να αποκαλύψει μια γυμνή μοναδικότητα — και θεωρούνταν αδύνατες. Ο Κέλε και ο Άνγκερ όμως βρήκαν δύο δρόμους για να συμβεί αυτό.
Τα μοντέλα τους έδειξαν ότι μια ακραία μαύρη τρύπα θα μπορούσε να σχηματιστεί αν προσέθετες σταδιακά φορτισμένη ύλη σε μια μαύρη τρύπα ή αν έστελνες μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων σε μια περιοχή άδειου χώρου και την έκανες να καταρρεύσει απευθείας σε ακραία μαύρη τρύπα. Καθοριστικό είναι ότι αυτοί οι μηχανισμοί δεν κινδύνευαν να δημιουργήσουν γυμνή μοναδικότητα.
«Το γεγονός ότι [αυτή η εργασία δείχνει πως] οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν να σχηματιστούν δυναμικά μάς λέει ότι αυτά τα αντικείμενα δεν είναι απλώς μαθηματικά όρια. Μπορούν πραγματικά να προκύψουν μέσα στην κλασική βαρύτητα», λέει η Κιάρα Τόλντο από το Free University of Brussels στο Βέλγιο.
Αυτό έχει σημασία, γιατί αυτά τα παράξενα αντικείμενα ίσως προσφέρουν μια γέφυρα ανάμεσα στις μαύρες τρύπες του ακατάστατου, εξελισσόμενου σύμπαντος και στις ιδιαίτερα ιδεατές εκδοχές τους που εμφανίζονται εδώ και χρόνια στη θεωρία χορδών και στην κβαντομηχανική.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί θέλουν να μάθουν από τι αποτελούνται οι μαύρες τρύπες. Η εντροπία τους δείχνει ότι πρέπει να υπάρχουν πολλές δυνατές διαμορφώσεις μικροκαταστάσεων που αντιστοιχούν στην ίδια μαύρη τρύπα. Αλλά τι ακριβώς αναδιατάσσεται;
Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο θεωρητικοί φυσικοί όπως η Τόλντο ενδιαφέρονται εδώ και καιρό για τις ακραίες μαύρες τρύπες. Ένα μεγάλο μέρος της γοητείας τους πηγάζει από τη μηδενική θερμοκρασία τους, που συνήθως θα σήμαινε και μηδενική εντροπία. Παρ’ όλα αυτά, οι ακραίες μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν εντροπία. Αυτό τις κάνει εξαιρετικά καθαρά μοντέλα για να εξεταστεί τι μπορεί να είναι στην πραγματικότητα οι μικροκαταστάσεις μιας μαύρης τρύπας.
«Η [θεωρία χορδών] σου δίνει ισχυρές τεχνικές με τις οποίες μπορείς να μετρήσεις τις καταστάσεις μέσα σε μια μαύρη τρύπα», λέει η Τόλντο. «Μπορείς να αρχίσεις να καταλαβαίνεις ποιες είναι οι καταστάσεις μέσα στη μαύρη τρύπα» και από τι αποτελούνται. Μέχρι τώρα, όμως, μεγάλο μέρος αυτής της δουλειάς αντιμετώπιζε τις ακραίες μαύρες τρύπες ως ιδεατά μαθηματικά μοντέλα. Το γεγονός ότι μπορούν να σχηματιστούν δυναμικά φέρνει αυτές τις ιδέες ένα βήμα πιο κοντά σε αντικείμενα που ίσως όντως προκύπτουν στο σύμπαν μας.
Ίσως υπάρχει ακόμη και τρόπος να εντοπιστεί μία. Καθώς η ύλη πέφτει προς μια μαύρη τρύπα, μπορεί να συμπιεστεί και να θερμανθεί τόσο βίαια ώστε να εκπέμψει μια έκρηξη ακτινοβολίας. Αυτό δεν μοιάζει με την ακτινοβολία Χόκινγκ, καθώς προέρχεται από την ίδια την ύλη που πέφτει. Γύρω από μια συνηθισμένη μαύρη τρύπα, η διαταραχή που δημιουργείται σύντομα σβήνει. Όμως ένας ακραίος ορίζοντας δεν έχει το συνηθισμένο φαινόμενο απόσβεσης, επιτρέποντας σε μέρος της διαταραχής να παραμείνει και ακόμη και να ενισχυθεί. Πέρυσι, ερευνητές έδειξαν ότι αυτό θα άφηνε ένα χαρακτηριστικό αποτύπωμα στην αμυδρή ουρά της ακτινοβολίας που φτάνει σε μακρινούς παρατηρητές.
Η πραγματική ανίχνευση μιας ακραίας μαύρης τρύπας, ωστόσο, παραμένει μακρινή προοπτική. Προς το παρόν, οι πιο άμεσες συνέπειες είναι θεωρητικές. Αν ο τρίτος νόμος της φυσικής των μαύρων τρυπών μπορεί να παραβιαστεί, τότε η αναλογία ανάμεσα στις μαύρες τρύπες και στα θερμοδυναμικά συστήματα ίσως να μην είναι τόσο ακριβής όσο πιστεύαμε.
Η εργασία των Κέλε και Άνγκερ αποκάλυψε περισσότερα από ένα κενό στην κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες. Θέτει και το πιο ανησυχητικό ενδεχόμενο ότι ίσως δεν κατανοούμε πλήρως ούτε τη θερμοδυναμική.
«Αυτή η εργασία με έκανε να συνειδητοποιήσω ότι καταλαβαίνω καλύτερα τις μαύρες τρύπες απ’ ό,τι καταλαβαίνω την κλασική θερμοδυναμική», λέει ο Κέλε. «Για παράδειγμα, όταν ο τρίτος νόμος λέει ότι δεν μπορείς να ψύξεις ένα σύστημα μέχρι το απόλυτο μηδέν με μια “πεπερασμένη ακολουθία ενεργειών”, τι ακριβώς μετρά ως ενέργεια; Ίσως να υπάρχει κάτι πιο θεμελιώδες εκεί, που δεν το γνωρίζουμε».
«Έχουμε αντικρούσει τον τρίτο νόμο όπως ήταν διατυπωμένος, αλλά ακόμη δεν καταλαβαίνουμε αυτό το πρόβλημα σε καμία του μορφή. Έχουμε ακόμη πολλή δουλειά μπροστά μας», λέει ο Άνγκερ.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
