Στην αρχή του χρόνου και στο κέντρο κάθε μαύρης τρύπας βρίσκεται ένα σημείο άπειρης πυκνότητας που ονομάζεται ιδιομορφία. Για να εξερευνήσουμε αυτά τα αινίγματα, παίρνουμε ό,τι γνωρίζουμε για τον χώρο, τον χρόνο, τη βαρύτητα και την κβαντομηχανική και τα εφαρμόζουμε σε ένα σημείο όπου όλα αυτά τα πράγματα απλά καταρρέουν. Δεν υπάρχει, ίσως, τίποτα στο σύμπαν που να προκαλεί περισσότερο τη φαντασία. Οι επιστήμονες της Φυσικής εξακολουθούν να πιστεύουν ότι αν μπορέσουν να βρουν μια συνεκτική εξήγηση για το τι πραγματικά συμβαίνει μέσα και γύρω από τις ιδιομορφίες, θα προκύψει κάτι αποκαλυπτικό, ίσως μια νέα κατανόηση του από τι είναι φτιαγμένος ο χώρος και ο χρόνος.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ορισμένοι φυσικοί υπέθεσαν ότι οι ιδιομορφίες μπορεί να περιβάλλονται από μια περιοχή ανατρεπτικού χάους, όπου ο χώρος και ο χρόνος αυξάνονται και συρρικνώνονται τυχαία. Ο Τσαρλς Μίσνερ του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ το ονόμασε «σύμπαν Mixmaster», από την τότε δημοφιλή σειρά συσκευών κουζίνας. Αν ένας αστροναύτης έπεφτε σε μια μαύρη τρύπα, «μπορεί κανείς να φανταστεί ότι αναμιγνύει τα μέρη του σώματος του αστροναύτη με τον τρόπο που ένας mixmaster ή ένας αβγοδάρτης αναμιγνύει τον κρόκο και το ασπράδι ενός αυγού», έγραψε αργότερα ο Κιπ Θορν, ένας νομπελίστας φυσικός.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη βαρύτητα των μαύρων τρυπών, χρησιμοποιεί μια ενιαία εξίσωση πεδίου για να εξηγήσει πώς ο χώρος καμπυλώνεται και η ύλη κινείται. Αλλά αυτή η εξίσωση χρησιμοποιεί μια μαθηματική συντομογραφία που ονομάζεται τανυστής για να κρύψει 16 διαφορετικές, αλληλένδετες εξισώσεις. Αρκετοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του Μίσνερ, είχαν επινοήσει χρήσιμες απλουστευτικές υποθέσεις που τους επέτρεπαν να εξερευνήσουν σενάρια όπως το σύμπαν Mixmaster.

Διαβασε ακομα

Τα έλεγε ο Αϊνστάιν για τις μαύρες τρύπες

Χωρίς αυτές τις παραδοχές, η εξίσωση του Αϊνστάιν δεν μπορούσε να λυθεί αναλυτικά, και ακόμη και με αυτές ήταν πολύ περίπλοκη για τις αριθμητικές προσομοιώσεις της εποχής. Όπως και η συσκευή από την οποία πήραν το όνομά τους, αυτές οι ιδέες έφυγαν από τη μόδα. Αυτά τα «δυναμικά υποτίθεται ότι είναι ένα πολύ γενικό φαινόμενο στη βαρύτητα», δήλωσε ο Γκέρμπεν Όλινγκ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. «Αλλά είναι κάτι που βγήκε από τον χάρτη».

Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί επανεξετάζουν το χάος γύρω από τις ιδιομορφίες με νέα μαθηματικά εργαλεία. Οι στόχοι τους είναι διττοί. Η μία ελπίδα είναι να δείξουν ότι οι προσεγγίσεις που έκαναν ο Μίσνερ και άλλοι είναι έγκυρες προσεγγίσεις της αϊνσταϊνικής βαρύτητας. Ο άλλος είναι να πλησιάσουν περισσότερο τις ιδιομορφίες με την ελπίδα ότι τα άκρα τους θα βοηθήσουν στη συμφιλίωση της γενικής σχετικότητας με την κβαντομηχανική σε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, η οποία αποτελεί στόχο των φυσικών για πάνω από έναν αιώνα. Όπως το έθεσε ο Σον Χάρτνολ του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, «ο χρόνος είναι πλέον ώριμος για να αναπτυχθούν πλήρως αυτές οι ιδέες».

Η γέννηση του Mixmaster Chaos

Ο Θορν περιέγραψε τα τέλη της δεκαετίας του ’60 ως μια «χρυσή εποχή» για την έρευνα των μαύρων τρυπών. Ο όρος «μαύρη τρύπα» μόλις είχε αρχίσει να χρησιμοποιείται ευρέως. Τον Σεπτέμβριο του 1969, σε μια επίσκεψή του στη Μόσχα, ο Θορν έλαβε ένα χειρόγραφο από τον Εβγκένι Λίφσιτς, έναν διακεκριμένο Ουκρανό φυσικό. Μαζί με τους Βλαντίμιρ Μπελίνσκι και Ισαάκ Καλάτνικοφ, ο Λίφσιτς είχε βρει μια νέα λύση στις εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν κοντά σε μια ιδιομορφία, χρησιμοποιώντας υποθέσεις που είχαν επινοήσει οι τρεις τους. Ο Λίφσιτς φοβόταν ότι η σοβιετική λογοκρισία θα καθυστερούσε τη δημοσίευση του αποτελέσματος, καθώς αυτό ερχόταν σε αντίθεση με μια προηγούμενη απόδειξη στην οποία είχε συνυπογράψει, και έτσι ζήτησε από τον Θορν να το κοινοποιήσει στη Δύση.

Διαβασε ακομα

Οι μαύρες τρύπες έχουν ακόμη πολλά μυστικά. Μόλις αποκαλύφθηκε το πιο εντυπωσιακό

Τα προηγούμενα μοντέλα μαύρων τρυπών υπέθεταν τέλειες συμμετρίες που δεν υπήρχαν στη φύση, θεωρώντας, για παράδειγμα, ότι ένα αστέρι ήταν μια τέλεια σφαίρα πριν καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα ή ότι δεν είχε καθαρό ηλεκτρικό φορτίο. (Αυτές οι υποθέσεις επέτρεψαν την επίλυση των εξισώσεων του Αϊνστάιν, στην απλούστερη μορφή τους, από τον Καρλ Σβάρτσιλντ λίγο μετά τη δημοσίευσή τους από τον Αϊνστάιν). Η λύση που βρήκαν οι Μπελίνσκι, Καλάτνικοφ και Λίφσιτς, η οποία ονομάστηκε λύση BKL από τα αρχικά τους, περιέγραφε τι θα μπορούσε να συμβεί σε μια ακατάστατη, πιο ρεαλιστική κατάσταση όπου οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται από αντικείμενα ακανόνιστου σχήματος. Το αποτέλεσμα δεν ήταν ένα ομαλό τέντωμα του χώρου και του χρόνου στο εσωτερικό τους, αλλά μια ταραγμένη θάλασσα του χώρου και του χρόνου που τεντώνεται και συμπιέζεται σε πολλαπλές κατευθύνσεις.

Ο Θορν έφερε λαθραία την εφημερίδα πίσω στις Ηνωμένες Πολιτείες και ταχυδρόμησε ένα αντίγραφο στον Μίσνερ, ο οποίος γνώριζε ότι έκανε παρόμοιες σκέψεις. Αποδείχθηκε ότι ο Μίσνερ και η σοβιετική ομάδα είχαν καταλήξει ανεξάρτητα στις ίδιες ιδέες χρησιμοποιώντας παρόμοιες υποθέσεις και διαφορετικές τεχνικές. Επιπλέον, η ομάδα BKL «τη χρησιμοποίησε για να λύσει το μεγαλύτερο άλυτο πρόβλημα εκείνης της εποχής στη μαθηματική σχετικότητα», είπε ο Θορν, σχετικά με την ύπαρξη αυτού που είναι γνωστό ως «γενική» ιδιομορφία. Ο Μπελίνσκι, το τελευταίο επιζών μέλος της τριάδας BKL, δήλωσε πρόσφατα σε ένα ηλεκτρονικό μήνυμα ότι οι γλαφυρές περιγραφές του Μίσνερ τον βοήθησαν με τη σειρά τους να απεικονίσει τη χαοτική κατάσταση κοντά στις ιδιομορφίες που αποκάλυψαν και οι δύο.

Για να κατανοήσουμε ορισμένα από αυτά που αποκάλυπταν, πρέπει να κατανοήσουμε τους τρόπους με τους οποίους η γενική σχετικότητα και η κβαντομηχανική έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους. Ειδικότερα, η σχετικότητα υποστηρίζει ότι ο χωροχρόνος πρέπει να είναι συνεχής: Μπορείς να κοιτάξεις σε αυθαίρετα μικρές αποστάσεις και να μην βρεις ποτέ κενό σε αυτόν. Στην κβαντομηχανική, ωστόσο, δεν έχει νόημα να μιλάμε για αποστάσεις μικρότερες από ένα όριο που ονομάζεται μήκος Πλανκ – πέρα από αυτό, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχουν κενά στο χωροχρόνο. Όμως οι δύο θεωρίες έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό. Και οι δύο είναι βαθύτατα αντιφατικές.

Διαβασε ακομα

Λύθηκε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια για τις μαύρες τρύπες

Η σχετικότητα υποστηρίζει ότι δύο περιοχές του χώρου μπορούν να αποσυνδεθούν, πράγμα που σημαίνει ότι τίποτα από όσα συμβαίνουν στη μία περιοχή δεν μπορεί να έχει οποιαδήποτε επίδραση στην άλλη. Αυτό μπορεί να οφείλεται απλώς στο γεγονός ότι απέχουν πολύ μεταξύ τους – η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, άλλωστε. Αλλά οι περιοχές του χωροχρόνου μπορούν επίσης να αποσυνδεθούν, ή να αποσυζευχθούν, με την παρουσία ισχυρών βαρυτικών πεδίων, όπως αυτά που βρίσκονται μέσα και γύρω από μια μαύρη τρύπα. Αυτά τα πεδία επιβραδύνουν τη ροή του χρόνου τόσο πολύ που η αλληλεπίδραση καθίσταται αδύνατη. Για παράδειγμα, το εσωτερικό και το εξωτερικό μιας μαύρης τρύπας αποσυνδέονται από ένα όριο που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Επειδή η βαρύτητα της μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή, οτιδήποτε λαμβάνει χώρα εντός του ορίζοντα γεγονότων δεν μπορεί ποτέ να παρατηρηθεί από το εξωτερικό της μαύρης τρύπας, σύμφωνα με τη σχετικότητα. (Η κβαντομηχανική εισάγει πρόσθετες επιπλοκές).

Επειδή τα ισχυρά βαρυτικά πεδία μπορούν να προκαλέσουν την αποσύνδεση του χώρου, η ομάδα BKL υποστήριξε ότι, καθώς πλησιάζεις σε μια ιδιομορφία, η ισχυρή βαρύτητα προκαλεί την αποσύνδεση κάθε σημείου του χώρου από κάθε άλλο. Αυτό σημαίνει ότι κάθε μικροσκοπικό τμήμα του χώρου συμπεριφέρεται με τους δικούς του όρους και κάνει τα μαθηματικά πολύ πιο απλά (αν και εξακολουθούν να είναι αρκετά περίπλοκα). Αν η αποσύνδεση λαμβάνει χώρα, έδειξαν ότι το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας είναι ένα συνονθύλευμα – σε αντίθεση με την ομαλή έκταση του χώρου και του χρόνου που πρότεινε η προηγούμενη λύση του Σβάρτσιλντ. Όπως εξήγησε ο Χάρτνολ, αν και το επιχείρημα των BKL δεν ήταν πλήρως αυστηρό με βάση τα μαθηματικά πρότυπα, μέχρι να προωθήσουν την ιδέα, κανείς δεν είχε προβλέψει ότι η αποσύνδεση λαμβάνει χώρα. Οι BKL, είπε, ήταν πολύ μπροστά από την εποχή τους.

Σύμφωνα με τον απολογισμό τους, γύρω από κάθε αποσυζευγμένο σημείο, ο χώρος διαστέλλεται προς μια τυχαία κατεύθυνση και συμπιέζεται προς τις άλλες δύο κάθετες κατευθύνσεις. Στη συνέχεια, μετά από ένα σύντομο αλλά τυχαίο χρονικό διάστημα, αντιστρέφεται, τεντώνοντας προς μία από τις προηγουμένως συμπιεσμένες κατευθύνσεις και συμπιέζοντας προς τις άλλες δύο. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί σαν μια εξαιρετικά επιμηκυμένη μπάλα ποδοσφαίρου που συνεχίζει να «αναπηδά» μεταξύ διαφορετικών προσανατολισμών.

Διαβασε ακομα

Εντοπίστηκαν μυστηριώδη φώτα στο κέντρο του Γαλαξία – Κινδυνεύει η Γη να ρουφηχτεί από μαύρη τρύπα;

Εδώ και δεκαετίες, οι φυσικοί και οι μαθηματικοί ήθελαν να δείξουν ότι αυτή η χαοτική δυναμική δεν είναι ένα τεχνούργημα της απλουστευτικής παραδοχής της αποσύνδεσης, αλλά είναι εγγενής στις μαύρες τρύπες. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2000, η εκθετικά αυξανόμενη υπολογιστική ισχύς και οι νέοι αλγόριθμοι κατέστησαν δυνατή την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων που συμφωνούσαν με την αποσύνδεση. Περίπου την ίδια εποχή, οι Μαρκ Χεννό, Τιμπό Νταμούρ και Χέρμαν Νικολάι απέδειξαν την ύπαρξη μιας σειράς περίπλοκων συμμετριών κοντά σε μια ιδιομορφία, χωρίς να υποθέσουν ότι πρέπει να υπάρξει αποσύνδεση. Έκτοτε, οι φυσικοί και οι μαθηματικοί εργάζονται για να καθορίσουν πότε εμφανίζεται χάος κοντά σε μια ιδιομορφία και να καταλάβουν τι περισσότερο μπορεί να ειπωθεί για τις ίδιες τις ιδιομορφίες.

Ένα απλουστευτικό ολόγραμμα

Το 1997, ο Χουάν Μαλντατσένα, ένας φυσικός που τώρα εργάζεται στο Institute for Advanced Study, ανακάλυψε μια αντιστοιχία, γνωστή ως AdS/CFT, μεταξύ δύο διαφορετικών εκδοχών του χωροχρόνου: ενός χωροχρόνου υψηλότερης διάστασης που ονομάζεται bulk και ενός χωροχρόνου χαμηλότερης διάστασης που ονομάζεται boundary. Αυτή η αντιστοιχία συχνά συγκρίνεται με τον τρόπο που ένα ολόγραμμα μπορεί να κάνει δισδιάστατες δομές να φαίνονται τρισδιάστατες. Ονομάζεται επίσης δυαδικότητα και σημαίνει ότι οι λύσεις που προκύπτουν στο ένα από τα δύο απλουστευμένα σύμπαντα-παιχνίδια ισχύουν και στο άλλο.

Η βαρύτητα εμφανίζεται μόνο στην υψηλότερης διάστασης πλευρά της αντιστοιχίας, η οποία ονομάζεται anti-de Sitter space ή AdS. Στην οριακή πλευρά, δεν υπάρχει βαρύτητα. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων εκεί διέπονται μόνο από μια εκδοχή της κβαντομηχανικής που ονομάζεται συμμορφική θεωρία πεδίου ή CFT. Μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τον AdS/CFT για να θέσει ένα πολύπλοκο πρόβλημα στη μία πλευρά, να το μεταφράσει σε μια απλούστερη μορφή στην άλλη, και να μεταφράσει μια λύση πίσω – ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο για τους φυσικούς που προσπαθούν να κατανοήσουν βαρυτικά φαινόμενα όπως οι μαύρες τρύπες. (Ορισμένα προβλήματα είναι ευκολότερα στην πλευρά του AdS, ενώ άλλα είναι ευκολότερα στην πλευρά της CFT).

Διαβασε ακομα

Αν το αύριο έχει ήδη συμβεί και ο χρόνος είναι ψευδαίσθηση & δεν υπάρχει;

Το 2019 ο Χάρτνολ, τότε καθηγητής στο Στάνφορντ, μαζί με τους φοιτητές του ξεκίνησαν να χρησιμοποιούν την αντιστοιχία για να ανακαλύψουν τι συμβαίνει στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας AdS. «Ο λόγος που θέλαμε να το κάνουμε αυτό», δήλωσε ο Χάρτνολ, «είναι να συσχετίσουμε το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, το οποίο δεν είναι καλά κατανοητό, με την περιοχή μακριά, η οποία είναι καλά κατανοητή». Βρήκαν χάος παρόμοιο με αυτό που είχε ανακαλύψει νωρίτερα η BKL. Την τελευταία μισή δεκαετία, ο ίδιος και οι συνεργάτες του συνέχισαν να χρησιμοποιούν την αντιστοιχία για να αναλύουν τη δυναμική των μαύρων τρυπών.

Αφού ο Χάρτνολ βρήκε για πρώτη φορά χάος παρόμοιο με των BKL στο AdS/CFT, άλλοι προσπάθησαν να καταλάβουν τι ακριβώς το προκαλεί. Ο Όλινγκ λέει ότι η ανακάλυψη του Mixmaster από τον Χάρτνολ στις μαύρες τρύπες AdS/CFT ήρθε ως έκπληξη. Η ομάδα του Χάρτνολ «ανακάλυψε ότι αυτή η συμπεριφορά εμφανίζεται σε ρυθμίσεις όπου δεν θα την περίμεναν», είπε. Μαζί με τον Χουάν Πεντράζα του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής της Μαδρίτης, ο Όλινγκ έδειξε ότι εμφανίζεται ακόμη και σε ένα μοντέλο-παιχνίδι AdS/CFT όπου η ταχύτητα του φωτός είναι μηδενική. Ο Όλινγκ είπε ότι ο Χεννό, μεταξύ άλλων, είχε προβλέψει ότι αυτό θα συνέβαινε, αλλά ότι η απόδειξη δεν ήταν δεδομένη. «Για μένα, αυτό δεν είναι προφανές», είπε ο Όλινγκ, «επειδή πραγματικά απλοποιείς πολύ τη θεωρία». Παράλληλα, οι μαθηματικοί έχουν προσεγγίσει το χάος που μοιάζει με το BKL από τη δική τους κατεύθυνση, μειώνοντας τις υποθέσεις που απαιτούνται για να αποδειχθεί ότι προκύπτει χάος, και ελέγχοντας αν πρέπει να προκύψει ακόμη και χωρίς την υπόθεση της αποσύνδεσης.

Διαβασε ακομα

Είναι απλά ένα μεγάλο παιχνίδι ή θα ξεκλειδώσει τα μυστικά του σύμπαντος;

Όπως είναι ίσως αναμενόμενο, η μοντελοποίηση χαοτικών και απρόβλεπτων αναπηδήσεων στο χωροχρόνο αποτελεί πρόκληση. Πιο πρόσφατα, ο Χάρτνολ και ο μαθητής του Μινγκ Γιανγκ προσπάθησαν να υπολογίσουν τον μέσο όρο των πολλών αναπηδήσεων σε μια μαύρη τρύπα. Σε μια προδημοσίευση που μοιράστηκαν στις 4 Φεβρουαρίου 2025, βρήκαν ένα μοτίβο χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική που σχετίζεται με αφηρημένες μαθηματικές συναρτήσεις που ονομάζονται σπονδυλωτές μορφές. Αυτό υποδηλώνει ότι μια γνωστή μαθηματική γλώσσα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση του χάους. «Αυτά τα μοτίβα μπορεί να υποδεικνύουν μια υποκείμενη κρυφή δομή της βαρύτητας», δήλωσε ο Χάρτνολ. «Αυτό μπορεί να διευκολύνει τη διατύπωση μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας». Ακόμα και αν ο ορίζοντας γεγονότων μας εμποδίζει να παρατηρήσουμε άμεσα το χάος στο εσωτερικό των μαύρων τρυπών, το να γνωρίζουμε ότι υπάρχει και τι σημαίνει θα μπορούσε να μας δείξει το δρόμο προς μια νέα φυσική και προς απαντήσεις σε μερικά από τα μεγαλύτερα ερωτήματά μας σχετικά με την ίδια την πραγματικότητα.

Με πληροφορίες από wired, quanta magazine