„Ovo je sveti gral teorijske fizike“: Da li se tajna kvantne gravitacije krije u stvaranju crnih rupa?

Prvi korak ka kvantnoj gravitaciji, koju nazivaju i „svetim gralom fizike“, možda se krije u kvantnom receptu za stvaranje crnih rupa. Tako se bar sugeriše u novom istraživanju koje dodaje kvantne korekcije teoriji gravitacije Alberta Ajnštajna iz 1916, poznatoj kao opšta teorija relativnosti.

Crne rupe su važne u ovom kontekstu jer su se teorijski prvi put pojavile iz rešenja Ajnštajnovih jednačina polja, na kojima se zasniva opšta teorija relativnosti.

Preporučujemo

Ova kvantna korekcija vodi do novog recepta za stvaranje crnih rupa i pokazuje put ka kvantnoj gravitaciji i ujedinjenju dve dominantne teorije fizike, piše Space.com.

Dve teorije koje se ne mogu ujediniti

Iako je Opšta teorija relativnosti naš najbolji model gravitacije i univerzuma na velikim skalama, a kvantna fizika najbolji opis subatomskog sveta, ove teorije se obično ne mogu ujediniti. To je zato što, uprkos činjenici da obe postoje oko jednog veka i da su bezbroj puta usavršavane i potvrđivane, još uvek ne postoji teorija kvantne gravitacije.

To je slučaj uprkos tome što kvantna fizika može da objasni preostale tri od četiri fundamentalne sile univerzuma: elektromagnetnu silu, jaku nuklearnu silu i slabu nuklearnu silu.

Međutim, kvantna fizika i opšta teorija relativnosti imaju nešto zajedničko; nijedna ne može da objasni šta se dešava u srcu crnih rupa.

- Crne rupe su regioni u svemiru gde je gravitacija toliko jaka da ništa, čak ni svetlost, ne može da pobegne. Obično ih opisujemo koristeći opštu teoriju relativnosti, gde se crne rupe pojavljuju kao rešenja Ajnštajnovih jednačina. Međutim, u centru crnih rupa postoji singularitet, gde zakoni fizike kakve poznajemo prestaju da važe - rekao je za Space.com Gzavije Kalme, vodeći autor istraživanja i teorijski fizičar sa Univerziteta u Saseksu.

U tim singularitetima, gustina crnih rupa teži beskonačnosti. Fizičari ne vole beskonačnost jer je suštinski nefizička, a kada se pojavi, to predstavlja neuspeh jednačina na kojima se zasnivaju zakoni univerzuma. Zato taj singularitet u srcu crnih rupa sugeriše fizičarima da je teorija opšte relativnosti nepotpuna, a ono što bi moglo da nedostaje jeste kvantna gravitacija.

- Verujemo da opšta relativnost funkcioniše samo na velikim ili makroskopskim skalama, ali da na veoma malim udaljenostima, ili mikroskopskim skalama, mora biti zamenjena kvantnom teorijom gravitacije koja ujedinjuje Ajnštajnove jednačine sa kvantnom fizikom. To je sveti gral teorijske fizike - rekao je Kalme

Da li se sveti gral nalazi u srcu crnih rupa?

Fizičari već neko vreme traže recept za kvantnu gravitaciju i teoriju ujedinjenja. Teorija struna, koja zamenjuje čestice subatomskim vibrirajućim strunama, pojavila se kao vodeća teorija koja povezuje opštu relativnost i kvantnu fiziku, i time dovodi do kvantne gravitacije.

Međutim, trenutno ne postoji način da se ova teorija eksperimentalno proveri. Pored toga, ona se oslanja na pretpostavku da univerzum poseduje najmanje 11 dimenzija, a trenutno ne postoje dokazi o dimenzijama izvan tri dimenzije prostora i jedne dimenzije vremena.

Za Kalmea i njegove saradnike nedostatak jedinstvene teorije nije bio prepreka. Sve što su trebali da znaju jeste da se svaka predložena teorija mora uklapati u Ajnštajnovu teoriju gravitacije na velikim skalama.

- Iako još nemamo teoriju kvantne gravitacije, znamo da, kakva god ta teorija bila, teorija struna ili nešto potpuno drugačije, ona se mora podudarati sa opštom relativnošću na makroskopskim skalama. Ova informacija je dovoljna kada se koriste moderne metode kvantne teorije polja za izvođenje proračuna u kvantnoj gravitaciji bez potrebe za potpunim poznavanjem fundamentalne teorije kvantne gravitacije - rekao je Kalme i dodao:

- Koristeći ove tehnike, možemo izračunati korekcije Ajnštajnovih jednačina koje se moraju primeniti na bilo koju teoriju kvantne gravitacije.

Kalme i njegove kolege su otkrili da, pored crnih rupa koje proizilaze iz rešenja jednačina opšte relativnosti, moraju postojati i „kvantna rešenja“ za crne rupe.

- Možemo analitički konstruisati ova rešenja blizu horizonta događaja, spoljne površine crne rupe koja zarobljava svetlost, i daleko od crne rupe. Jedna mana korišćenja našeg pristupa kvantnoj gravitaciji je što ne možemo da konstruišemo naša rešenja blizu singulariteta, jer je to mesto gde je potrebno potpuno poznavanje kvantne gravitacije – dodao je on.

To znači da tim ne može da kaže da li njihov kvantni recept za crne rupe vodi do iste morfologije kao ona koja proizilazi iz opšte relativnosti.

Nova rešenja za crne rupe

- Ipak je važno što smo pokazali da postoje nova rešenja za crne rupe u kvantnoj gravitaciji koja ne postoje u opštoj relativnosti. Ova nova rešenja nisu samo dorade starih — to su potpuno nove crne rupe koje postoje u svetu kvantne gravitacije - rekao je Kalme.

Istraživač sa Univerziteta u Saseksu smatra da je ovaj rad ipak korak ka razumevanju kako kvantna mehanika i gravitacija funkcionišu zajedno.

Nažalost, čak ni Kalme još ne zna kako bi se dva potencijalna recepta za crne rupe, onaj iz opšte relativnosti naspram onog iz kvantne gravitacije, mogla razlikovati. To je zato što crne rupe možemo posmatrati samo sa velikih udaljenosti.

- Astrofizičke crne rupe koje posmatramo mogle bi vrlo lako biti opisane našim novim rešenjima, a ne onima iz opšte relativnosti. Pošto se dve teorije poklapaju na velikim udaljenostima, biće teško predložiti testove koji bi mogli da razlikuju ova dva tipa rešenja zaključio je Kalme.

Zbog svega toga, tajne kvantne gravitacije možda će i dalje žestoko čuvati crne rupe.

Studija je objavljena u žurnalu A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics.

(Telegraf Nauka/Space.com)