Czarne dziury są defektem czasoprzestrzeni? Nowa teoria żegna te tajemnicze obiekty
Fizycy teoretyczni właśnie odkryli nową strukturę w czasoprzestrzeni, która określana jest mianem „solitonu topologicznego". Czym są owe solitony? Według naukowców to defekty w strukturze wszechświata, które nie posiadają horyzontu zdarzeń.
Dla odległych obserwatorów, takich jak my na Ziemi, obiekty te wyglądają jak czarne dziury. Odkrycie to może potencjalnie pomóc w potwierdzeniu teorii strun, która na razie pozostaje ona nieudowodniona.
Według ogólnej teorii względności Einsteina czarne dziury powstają, gdy gigantyczne gwiazdy zapadają się na skutek grawitacji. W pewnym momencie ich jądro nie jest już w stanie generować wystarczająco dużo energii, by utrzymać zewnętrzne powłoki przed zapadaniem się pod własnym ciężarem, w głąb. Ta sama teoria jednocześnie przewiduje, że centra czarnych dziur są tzw. osobliwościami, czyli punktami o nieskończonej gęstości.
Nieskończona gęstość i teoria strun.
Wiemy jednak, że coś takiego, jak nieskończona gęstość nie może występować we wszechświecie. W związku z tym uznaje się, że ogólna teoria względności Einsteina jest niekompletna. Starania mające na celu znalezienie jej uzupełnienia trwają już niemal sto lat, ale wciąż nikt, nie zdołał przedstawić teorii grawitacji, która dokładniej opisywałaby rzeczywistość.
Nie znaczy to jednak, że nikt nie próbuje i że nie ma potencjalnych kandydatek na to, by uzupełnić dzieło Einsteina. Jedną z nich jest teoria strun. Według niej wszystkie cząstki wszechświata są tak naprawdę mikroskopijnymi wibrującymi pętlami strun. To znaczy, że nasz kosmos nie jest zbudowany z cząsteczek, tylko ze strun. Oprócz tego teoria ta zakłada, że rzeczywistość posiada nie cztery (tzw. makroskopowe) wymiary jak w przypadku trójwymiarowej przestrzeni wzbogaconej o czas, a przynajmniej…dziesięć. Według niej oprócz tradycyjnych czterech istnieje jeszcze przynajmniej sześć kolejnych.
Gdzie się ukrywają się struny?
Są one niedostrzegalne w naszym normalnym postrzeganiu świata na skutek zjawiska, jakim jest kompaktyfikacja. W skrócie chodzi o zjawisko, w ramach którego 6 bądź 7 dodatkowych wymiarów jest „kompaktowo” ściśniętych do tak małych rozmiarów, że ich wykrycie, przy obecnym stanie technologii jest niemożliwe. Szacuje się, że ich rozmiary są mniej więcej dwa razy mniejsze od jądra atomowego. Możemy więc jedynie teoretyzować o ich istnieniu, którego nie wyklucza matematyka. A skoro równania matematyczne pokazują, że coś może istnieć, nie ma przeszkód, by oprzeć się na nich w próbach opisania rzeczywistości.
Co ważne, to, że jakaś kwestia jest możliwa do potwierdzenia, póki co, jedynie teoretycznie wcale nie sprawia, że jest ona mniej wartościowa z punktu widzenia nauki, lub że jest mniej prawdopodobna. W końcu np. to, że jądro atomu może zostać rozszczepione, co spowoduje uwolnienie ogromnej energii, również najpierw zostało wyliczone przy pomocy tablicy i kredy, a dopiero później zostało wcielone w życie w realnym świecie. Po prostu jedynym narzędziem, jakimi dysponujemy, by zgłębić teorię strun, jest nasz rozum posługujący się matematyką.
Nie ma za bardzo sensu próbować sobie wyobrażać dodatkowych sześciu bądź siedmiu wymiarów siedząc w trójwymiarowym pokoju, i zastanawiać się, jakie jeszcze wymiary oprócz szerokości, wysokości i głębokości mógłby mieć. I o ile nie jest się biegłym w bardzo zaawansowanej matematyce, nie ma sensu próbować, lepiej po prostu przyswajać rezultaty badań w bardziej zrozumiałej formie, takiej jak np. ten artykuł.
Czym są solitony topologiczne?
Wracając do tematu, struny, by wszechświat z nich zbudowany mógł funkcjonować, muszą wibrować i to w specyficzny sposób. Świadomość tego, sprawiła, że naukowcy byli w stanie zidentyfikować nowy rodzaj obiektów, którym są wspomniane solitony topologiczne. Badacze odkryli, że są one stabilnymi defektami w samej czasoprzestrzeni. Do swego istnienia nie wymagają materii ani żadnych innych sił. Są po prostu naturalną częścią rzeczywistości.
Naukowcy badali owe solitony, analizując, jak zachowuje się światło, które przechodzi w ich pobliżu. Ponieważ są one obiektami tzw. ekstremalnej czasoprzestrzeni, mają zdolność do zakrzywiania przestrzeni i czasu wokół siebie, co wpływa na ścieżkę światła. To sprawia, że z daleka wyglądałyby jak czarne dziury, które również mają takie właściwości. Gdybyśmy przeprowadzili ich obserwacje przy pomocy Teleskopu Horyzontu Zdarzeń i wykryte sygnatury fal grawitacyjnych wyglądałyby tak samo jak w przypadku czarnej dziury.
Dopiero gdybyśmy się do nich zbliżyli, moglibyśmy zdać sobie sprawę, że mamy do czynienia z czymś innym niż czarna dziura. W jaki sposób? Jedną z najbardziej istotnych cech czarnej dziury jest jej horyzont zdarzeń. To wyimaginowana powierzchnia, po której przekroczeniu nie da się uciec od jej przyciągania. Topologiczne solitony nie posiadają jednak horyzontu zdarzeń. Jak twierdzą naukowcy, to główna cecha, która odróżnia je od czarnych dziur. Co więcej, nie ma według nich przeszkód w tym, by można było podejść do solitonu i wziąć go do ręki przeżywając całe zdarzenie. Oczywiście, znów, czysto teoretycznie.
Topologiczne solitony są obecnie jedynie hipotetycznymi obiektami, opartymi na naszym rozumieniu teorii strun, która nie została jeszcze udowodniona jako realna aktualizacja naszego rozumienia fizyki. Jak wspomniałem, to jak na razie instrument testowy w rękach naukowców, dzięki któremu pewnego dnia nasze zrozumienie rzeczywistości może się niewiarygodnie poszerzyć.
Jeśli naukowcom uda się kiedyś zgłębić istotną różnicę, która da się zaobserwować między solitonami topologicznymi a tradycyjnymi czarnymi dziurami, może to utorować drogę do przetestowania samej teorii strun. To z kolei mogłoby wyprowadzić naukę i nasze zrozumienie świata na zupełnie nowe wody. Jakie mogłyby być tego efekty w codziennym życiu? Tutaj jak na razie musi wystarczyć nam wyobraźnia.
