Garsi fizikos žvaigždė prabilo apie visatos mįslę: atsakymas gali slypėti juodosiose skylėse

Profesorius Brianas Coxas – vienas žinomiausių šiuolaikinių fizikos populiarinimų veidų. Dalelių fizikas iš Mančesterio universiteto ir Karališkosios draugijos viešojo įsitraukimo į mokslą profesorius savo knygoje apie juodąsias skyles teigia, kad būtent šie objektai gali atverti giliausią mūsų visatos paslaptį – tikrąją erdvės ir laiko prigimtį.

Jo svarstymai driekiasi nuo Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos iki Fermi paradokso ir idėjos, jog žmonija gali būti vienintelė civilizacija visoje Paukščių Tako galaktikoje.

Juodosios skylės – nuo „absurdo“ iki įrodymo

Juodoji skylė paprastai apibrėžiama kaip sritis erdvėje, iš kurios negali pabėgti net šviesa. Pirmieji tokie objektai buvo numatyti dar remiantis Niutono fizika XVIII amžiuje, kai Džonas Mičelas ir Pjeras Laplasas svarstė apie „tamsias žvaigždes“, kurių traukos lauke šviesos greitis nebepakanka pabėgti.

Tik XX amžiaus pradžioje, atsiradus Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijai, paaiškėjo, kad tokie dariniai natūraliai kyla iš tikslių lygčių sprendinių. Karlas Švarcšildas 1916 metais rado matematinį aprašymą idealiai sferinės, nebesisukančios žvaigždės gravitaciniam laukui – sprendinį, kuris šiandien laikomas paprasčiausiu juodosios skylės modeliu.

Tačiau ilgą laiką net patys žymiausi fizikai manė, kad gamta „neleis“ tokiems objektams egzistuoti. Arthur Eddingtonas išdidžiai tikino, kad „gamta neleis tokiems absurdams“. Tik po Antrojo pasaulinio karo, ypač Rogerio Penrose’o ir Stepheno Hawkingo darbuose XX amžiaus septintajame dešimtmetyje, įsitvirtino mintis, jog masyvios žvaigždės gali neišvengiamai subyrėti į juodąsias skyles.

Įvykio horizontas ir sustojantis laikas

Einsteino teorijoje juodąją skylę išoriniam stebėtojui apibrėžia įvykio horizontas – sfera erdvėje, už kurios riba net šviesa nebegali grįžti atgal. Keista tai, kad, stebint iš toli, priartėjus prie horizonto, laikas krentančiam objektui tarsi lėtėja ir ant horizonto visiškai sustoja.

Tai ilgai klaidino fizikų intuiciją: atrodė, kad žvaigždė niekada „nesubyrės“ iki juodosios skylės. Vis dėlto reliatyvumas leidžia paradoksą išspręsti – vienam stebėtojui laikas gali sustoti, kitam tekėti įprastu tempu. Astronautui, krentančiam į pakankamai didelę juodąją skylę, horizontas būtų peržengtas visiškai nepastebimai, nors iš išorės jo laikrodis „sustingdytas“ amžiams.

Didesnė paslaptis slypi juodosios skylės viduje. Matematiniai sprendiniai rodo, kad žvaigždės kolapsas veda į singularumą – ne tiek tašką erdvėje, kiek paskutinę akimirką laike, kur baigiasi mums žinomos fizikos dėsniai. Coxas pabrėžia, jog būtent šiai sričiai paaiškinti reikalinga nauja, kvantinė gravitacijos teorija.

Hawkingo spinduliuotė ir informacijos paradoksas

Septintajame dešimtmetyje Stephenui Hawkingui pavyko sujungti kvantinę teoriją ir bendrąją reliatyvumą juodųjų skylių artumoje. Jis parodė, kad juodosios skylės nėra visiškai „juodos“ – dėl kvantinių efektų įvykio horizonto srityje jos skleidžia vadinamąją Hawkingo spinduliuotę ir pamažu netenka masės.

Vienas intuitvus paaiškinimas remiasi virtualių dalelių poromis, nuolat atsirandančiomis vakuume. Netoli horizonto viena poros dalelė gali nukristi į vidų, o kita – ištrūkti į išorę kaip reali dalelė, atimdama iš juodosios skylės energiją. Per neįsivaizduojamai ilgą laiką juodoji skylė visiškai išgaruoja.

Čia išryškėja informacijos paradoksas. Kvantinė mechanika reikalauja, kad informacija apie fizinės sistemos būklę visatoje niekada visiškai neišnyktų. Tačiau Hawkingo skaičiavimai rodė, kad galutinė spinduliuotė neturi jokio „pėdsako“ apie tai, kas kadaise įkrito į juodąją skylę. Tai leistų pirmą kartą pažeisti informacijos tvermę.

Daug fizikų, tarp jų Leonardas Susskindas ir Gerardas ‘t Hooftas, su tuo nesutiko. Per kelis dešimtmečius išsivystė nauji metodai, o šiandien vyraujanti nuomonė tokia: informacija nėra sunaikinama, tik užkoduojama labai sudėtingu būdu Hawkingo spinduliuotėje.

Erdvės ir laiko „holograma“

Klausimas, kaip informacija išsaugoma, atvedė prie vienos radikaliausių idėjų – holografinio principo. Jacobas Bekensteinas parodė, kad maksimalus informacijos kiekis, kurį gali talpinti juodoji skylė, yra proporcingas jos horizonto plotui, o ne tūriui. Tai priešinga kasdienei intuicijai apie „knygų kiekį kambaryje“.

Vėliau Juanas Maldacena matematiniu tikslumu parodė, kad tam tikrais atvejais visos trimačio tūrio fizikos galima lygiavertė aprašyti dvidimensioniame paviršiuje jo ribose. Coxo žodžiais, tai primena hologramą: plokštelė savyje nešioja visą trimačio vaizdo informaciją.

Iš to gimsta „emergentinės erdvėlaikio“ vizija – kad erdvė ir laikas nėra pagrindiniai visatos statybiniai elementai. Jie galėtų kilti iš gilesnio kvantinio lygmens, kuriame esminį vaidmenį atlieka susipynusios kvantinės būsenos ir informacijos kodavimas, panašus į kvantinių kompiuterių klaidų taisymo schemas.

Fermi paradoksas ir vienišos civilizacijos galimybė

Antroji Coxo interviu dalis skirta visiškai kitam, bet ne mažiau filosofiniam klausimui – ar esame vieni visatoje. Fermi paradoksas klausia: jei galaktika sena ir pilna planetų, kodėl nematome jokių kitų civilizacijų pėdsakų?

Paukščių Take tikriausiai yra šimtai milijardų žvaigždžių ir trilijonai planetų. Tačiau per 10 milijardų metų galaktikos istoriją nematome nei patikimų radijo signalų, nei savaime replikuojančių erdvėlaivių tinklo, nei aiškių technologinės veiklos ženklų.

Coxas siūlo kelias galimas išeitis. Viena jų – „retos Žemės“ idėja: nors paprastos gyvybės formos gali būti dažnos, sąlygos keturių milijardų metų nepertraukiamam evoliucijos procesui, vedančiam iki civilizacijos, gali būti beveik unikalios. Žemėje gyvybė atsirado gana greitai, tačiau daugiamatės būtybės ir sudėtingos smegenys formavosi tik paskutinį milijardą metų.

Kita hipotezė – Didysis filtras. Galbūt daug pasaulių pasiekia mūsų technologinį lygį, bet niekada jo neperžengia, nes anksčiau ar vėliau susinaikina – dėl branduolinio karo, nekontroliuojamų biotechnologijų ar nesuvaldytų dirbtinio intelekto pasekmių. Tokiu atveju kosminė tyla būtų liūdnas dėsningumas, o ne atsitiktinumas.

Coxui artimiausia mintis, kad sudėtinga, technologiškai pažengusi gyvybė yra itin reta. Galaktikoje vidutiniškai gali būti mažiau nei viena civilizacija – vadinasi, šiuo metu galime būti vieninteliai. Toks scenarijus, jo manymu, užkrauna milžinišką atsakomybę už mūsų pačių ateitį.

Kaip fizikas jis kartu pabrėžia: tai tik hipotezė, o didžiausia mokslo vertybė – pasirengimas klysti. Jei kada nors danguje nusileistų kosminis aparatas su svečiais iš kitos žvaigždės, mes ne tik su palengvėjimu pasidalytume atsakomybe, bet ir iš esmės perrašytume savo supratimą apie gyvybės vietą visatoje.