Nowa teoria, która może pomóc w opisaniu mikroskopowej natury czarnych dziur Badania nad czarnymi dziurami mają kluczowe znaczenie nie tylko dla pogodzenia ogólnej teorii względności Einsteina z zasadami mechaniki kwantowej, ale również dla lepszego poznania czasu i przestrzeni na granicach wszechświata. Wymagają jednak spojrzenia daleko poza możliwe do zaobserwowania cechy makroskopowe. Z tego powodu uczestnicy projektu QUNAT (Quantum Mechanical Nature of Black Holes) sformułowali nową teorię, która pozwoli poznać mikroskopowe cechy czarnych dziur. Przemysł kosmiczny © NASA W 1975 roku Benkenstein i Hawking opracowali wzór pozwalający obliczyć entropię czarnej dziury, czyli inaczej liczbę możliwych stanów mikroskopowych zgodnych z zaobserwowanymi stanami makroskopowymi. Jednak ten przełom zrodził jeden z największych problemów, przed jakimi stanęli teoretycy zajmujący się fizyką wysokich energii: paradoks informacyjny czarnej dziury. Chociaż zgodnie z teorią kwantową żadna informacja nie opuszcza czarnej dziury, informacja ta nie jest nigdzie dostępna, nawet w promieniowaniu uwalnianym przez czarną dziurę podczas parowania. Czarną dziurę można opisać wyłącznie z użyciem wielkości, takich jak masa, ładunek elektryczny i moment pędu, jednak wielkości te nie przenoszą żadnych informacji. Innymi słowy, obecnie nie istnieją żadne sposoby uzyskania mikroskopowych informacji na temat rzeczywistej budowy czarnej dziury. „To dokładnie tak samo jak w przypadku wody” – mówi Troels Harmark, profesor fizyki teoretycznej cząstek elementarnych i kosmologii w Instytucie Nielsa Bohra. „Woda składa się z mikroskopijnych molekuł (H2O), które z kolei składają się z podstawowych atomów i cząstek. Jednak badając wodę, możemy zaobserwować jedynie jej cechy makroskopowe, takie jak temperatura czy ciśnienie. Obecnie dość dobrze udało nam się poznać cechy makroskopowe – np. masę i temperaturę – czarnych dziur. Nie wiemy natomiast nic na temat mikroskopowych bloków budulcowych, z jakich się składają”. Mimo że w ostatnich kilku dekadach dokonano znaczących postępów w tej dziedzinie, a w szczególności w zakresie szczególnej klasy czarnych dziur w kontekście teorii strun, naukowcom nadal brakuje wiedzy umożliwiającej pełne poznanie astrofizycznych czarnych dziur. Prof. Harmark chciał określić entropię wszystkich mikroskopowych bloków budulcowych i w tym celu szukał sposobu na ich policzenie. Jego praca w ramach projektu QUNAT zaczęła się w punkcie, w którym zakończono badania nad zasadą holograficzną rozwiązującą paradoks informacyjny czarnej dziury dzięki przyjęciu założenia, że czarne dziury to dwuwymiarowe powierzchnie rzutowane na płaszczyznę 3D. „Zgodnie z założeniami zasady holograficznej pewne teorie kwantowe bez grawitacji, pozostające poza naszą czasoprzestrzenią, mogą opisywać mikroskopowe bloki budulcowe czarnych dziur. Te teorie istnieją w mniejszej liczbie wymiarów. Ta hipoteza posiada wszystkie niezbędne cechy jakościowe, dzięki czemu można na niej bazować” – wyjaśnia. Jednakże, chociaż większość naukowców uznaje zasadę holograficzną za prawdziwą, wysnuwane na jej podstawie wnioski są całkowicie zrozumiałe jedynie w układach o wysokiej symetrii i słabej grawitacji. W przypadku czarnych dziur – charakteryzujących się ogromną siłą przyciągania – sytuacja wygląda zupełnie inaczej: aby w pełni zrozumieć ich naturę mikroskopową, zespół musiał rozpocząć od sprzężenia leżących u ich podstaw teorii kwantowych, a następnie znacznie rozszerzyć to sprzężenie. W tym celu badacze rozważyli granicę grawitacji oraz mechaniki kwantowej, w której to granicy zarówno grawitacja, jak i mechanika kwantowa ulegają takiemu uproszczeniu, że możliwe jest przyjęcie dużej granicy sprzężenia. „W tej granicy czarną dziurę można opisać przy użyciu nowej, odkrytej przez nas teorii mechaniki kwantowej, nazywanej teorią macierzy spinowej” – wyjaśnia prof. Harmark. Ta innowacyjna teoria pozwoliła zespołowi lepiej poznać tzw. D-brany – nieperturbacyjne obiekty podobne do czarnych dziur. Odkryli oni, w jaki sposób D-brany, opisane w terminach klasycznej teorii grawitacji, oraz ich oddziaływania wzajemne wynikają z teorii kwantowej. „To pozwoliło po raz pierwszy wykroczyć poza supersymetryczne granice D-branów, ponieważ oddziaływania te wprowadzają nie-supersymetryczne korekty” – podsumowuje prof. Harmark. Następnie zespół scharakteryzował geometrię wyłaniającą się z wybranej teorii macierzy spinowej. „Aby w pełni poznać zjawisko, jakim jest czarna dziura, musimy zrozumieć, jak geometrie wynikają z teorii kwantowej. Dzięki temu będziemy mogli pojąć zasady formułowania geometrii na podstawie wszystkich teorii macierzy spinowych. To wyraźnie dowodzi, że ta nowo powstała geometria nie była do tej pory nigdzie brana pod uwagę”. Prof. Niels Obers, zastępca dyrektora ds. badań w Instytucie Nielsa Bohra oraz naukowiec odpowiedzialny za realizację projektu, twierdzi, że te odkrycia pozwolą naukowcom dokładnie sprawdzić, jak czas i przestrzeń wynikają z teorii kwantowej. „To potencjalnie może pomóc nam zrozumieć procesy zachodzące na wczesnym etapie Wielkiego Wybuchu, kiedy to powstawały czas i przestrzeń” – opowiada z entuzjazmem. Teraz, kiedy projekt został zakończony, zespół kontynuuje badania, analizując teorie macierzy spinowych, które będzie można wykorzystać do opisania czarnych dziur. Bada również hipotezę, zgodnie z którą teoria macierzy spinowych dostarczy nowych holograficznych korespondencji pozwalających w ilościowy sposób zrozumieć, jak przestrzeń i czas wynikają z teorii kwantowej. Słowa kluczowe QUNAT, czarna dziura, cechy mikroskopowe, ogólna teoria względności, mechanika kwantowa, Hawking, Benkenstein, zasada holograficzna, teoria macierzy spinowej, D-brany
