Предложиха нова невероятна идея, който може да разгадае тайната на черните дупки

Има много голяма вероятност да не разбираме правилно черните дупки.

Физиците отдавна считат, че черните дупки са точно това. Масивни гравитационни обекти, огромни количества материя и пространство-време, сринати в своеобразен затвор, от който няма измъкване.

Но колкото повече ги изучаваме, толкова повече черните дупки отказват да съдействат на тази картина. Картина, породена от общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Мащабен модел, който обяснява как действа гравитацията във вселенски мащаби. Не разбираме напълно какво се случва в центровете и границите на черните дупки. Черните дупки може дори да не са напълно черни, тъй като могат да излъчват малки количества радиация. И може би най-разочароващото е, че те не се съгласуват много добре с представите ни за това как енергията и материята могат да работят в малките квантови мащаби. Понеже тези представи стават все по-ясни и определени.

Ето защо някои нови изследвания поеха в съвсем друга посока. Какво ще стане, ако, както се твърди в една смела статия, приемем черните дупки не толкова като гравитационни тела, а като квантови обекти? Може би те отказват да се подчиняват на традиционните ни гравитационни модели, защото всъщност са най-големите квантови обекти в света.

Особен интерес представлява това, което се случва в центъра на черната дупка. Това са местата, където класическите ни представи за гравитацията и относителността се разпадат. Именно затова физиците се опитват да се обърнат към някои сложни квантови изчисления, за да определят какво се случва там.

В своята работа физиците Нико Джон Лео Лобос и Реджи Пантиг  провеждат мисловен експеримент. В него те разглеждат черните дупки като макроскопично следствие от квантовия свят, вместо да се опитват да присаждат квантовата механика върху гравитационното описание от общата теория на относителността.

Квантовият обект е обект, в който преобладава неопределеността. И физиците трябва да използват „размитите“ правила на квантовата механика за научни прогнози (електронът може да е тук, а може и да е там).  А не „чистите“, точни резултати, предлагани от класическата, макроскопична физика. Едно от тези размити правила е принципът на неопределеност на Хайзенберг. Той поставя строги ограничения върху точността на нашите измервания на координатите и импулса на частицата. Този принцип се прилага само за много малки (квантови) мащаби. Но ако съществува фактор на размиване, който променя импулса в много малки мащаби, то може би в природата съществува друг фактор на размиване за равновесието. Фактор, който променя позицията в много големи мащаби – мащаби, сравними с тези на черните дупки.

„Природата обича симетрията и дуалността“, пишат Лобос и Пантиг. По същия начин постъпват и други теоретични физици.

Лобос и Пантиг изследват последиците от тази идея, като измислят как естествената размитост в позицията може да се прояви като хоризонт на събитията на черна дупка. Тяхната изумителна работа показва, че е възможно да се започне от квантови, а не от гравитационни основи. И по този начин да се изгради работеща картина на това, което наричаме черни дупки.

В общата теория на относителността черната дупка е просто струпване на материя, компресирана в безкрайно малка точка. А хоризонтът на събитията, „повърхността“ на черната дупка, от която няма измъкване, е естествено следствие от това плътно струпване на материя.

На езика на квантовата механика обаче черната дупка се разглежда като специален вид кондензат на Бозе-Айнщайн, наречен на името на Айнщайн и индийския физик от началото на XX век Сатяндра Натх Бозе. Тези кондензати са специфични структури на материята, в които всички частици имат еднакви квантови състояния. Това им позволява да синхронизират квантовите си движения, карайки ги да се държат като единни цели гигантски частици.

Частиците, които съставляват кондензата на Бозе-Айнщайн за черна дупка, са гравитоните – хипотетичният квантов носител на гравитацията. Когато се образува черна дупка, гравитоните се струпват заедно, синхронизират се помежду си и усилват гравитационните си ефекти. Но тъй като частиците в Бозе-Айнщайновия кондензат се намират в едни и същи квантови състояния, те могат да заемат едно и също положение в пространството и следователно черната дупка, гледана през тази леща, няма причина да бъде физически макроскопична – с други думи, тя няма да бъде по-голяма от всяка друга субатомна частица.

Именно тук възниква двусмислието. Новите квантови правила, използвани от Лобос и Пантиг, размиват черните дупки, като ги заставят да заемат реално, физическо пространство. Това, което наричаме хоризонт на събитията, е само външната граница на този ефект на размазване. Така в тази картина черните дупки се превръщат в колекции от раздути квантови частици, видими и достъпни в макроскопичния свят и дори в космически мащаби; това е много различен начин за изграждане на физиката на черните дупки, основан на квантови, а не на гравитационни основи.

Изследователите предлагат как бъдещите експериментални тестове, като например по-подробни изображения от телескопа Event Horizon и неговите наследници, могат да разрешат този дебат „квантовата физика срещу класическата физика„. Свойствата на квантовите черни дупки леко се различават от тези, предсказани от общата теория на относителността. Разликите са малки (те трябва да са такива, иначе нашите стари модели на черни дупки щяха да бъдат отхвърлени отдавна), но те са потенциално откриваеми. Най-показателното е, че „сянката“ на тези квантови черни дупки може да е по-голяма от тази на черните дупки в традиционния смисъл на думата. Под сянка се разбира “ отворът“, изрязан от фоновата светлина. Те могат също така да предизвикат по-голямо отклонение в орбитите на всички обекти, преминаващи твърде близо. По-близките измервания на звездите в близост до гигантската черна дупка на Млечния път, Стрелец А*, и бъдещите мисии на телескопа Event Horizon може да се окажат достатъчно точни, за да открият тези разлики.

Тези изследователи не са единствените, които предполагат, че черните дупки могат да функционират поне отчасти като колосални квантови обекти. Друга група физици от Австралия и Канада се обърнаха към квантовата концепция за суперпозицията, при която частиците са свързани помежду си независимо от разстоянието между тях. Прехвърляйки тази концепция към макроскопичния свят, те откриват, че могат да пресъздадат познатите свойства на черните дупки.

А черните дупки може би не са единствените гигантски квантови обекти в нашата Вселена. В предложението си групата индийски физици предполага, че космологичният хоризонт на събитията – действителната граница на нашата видима вселена – също може да е квантов артефакт. Тяхната работа следва същата логика като тази на Лобос и Пантиг. Само че в (много) по-голям мащаб: фундаменталната неопределеност в квантовите взаимодействия се отразява в макроскопичния свят. Именно тя би могла да обясни това, което традиционно е в сферата на чистата гравитация. Но според група ирански физици не е необходимо да се стига до такива крайности, за да се открие връзката между квантовия и класическия свят. Те предлагат начин за прилагане на разширено квантово мислене дори при изучаването на изключително горещи газове. Това са често срещани обекти в нашата Вселена, простиращи се в огромната ни космическа мрежа.

Астрофизиците знаят, че тези идеи живеят в самата периферия на нашата научна област. И че те често се преследват най-много от учените извън обичайните институции, базирани в САЩ и Европа, които доминират в заглавията на научните новини. Много физици ще кажат, че квантовата неопределеност няма причина да съществува в такива големи мащаби. Експериментите и физическата теория не подтикват никого да разширява принципа на неопределеност на Хайзенберг по начина, по който го правят някои теоретици. А досега всичко, което сме наблюдавали във връзка с черните дупки, е било в съответствие с разбирането ни за общата теория на относителността. Докато експериментите не покажат нещо различно, няма нужда да усложняваме картината.

Но това, че тази смела научна работа е изненадваща и е извън гъстата тълпа в центъра на „Нобеловия индустриален комплекс“, не означава, че тя е погрешна или дори безплодна. Науката също е свързана с безумни идеи. Тя е изследване и смелост. Тя е скок в тъмното и намиране на свободата да се удивляваме на света около нас.