Czy żyjemy w czarnej dziurze? Oto co mówią fizycy

Spis treści:

1. Czy wszechświat ma granice? Zaskakujące podobieństwa do czarnej dziury
2. Czy czarne dziury rodzą nowe wszechświaty? Niezwykła teoria z poparciem matematyki
3. Czy wszechświat działa jak czarna dziura? Zaskakujące punkty wspólne
4. Czy da się udowodnić, że żyjemy w czarnej dziurze? Fizycy szukają odpowiedzi

Wszechświat narodził się w czarnej dziurze – to nie początek żartu, ale jedna z poważnie rozważanych hipotez wśród kosmologów. Naukowcy sugerują, że nasz wszechświat mógł powstać wewnątrz gigantycznej czarnej dziury, będącej częścią innego kosmosu.

Czy wszechświat ma granice? Zaskakujące podobieństwa do czarnej dziury

Patrząc nocą w gwiazdy, łatwo ulec złudzeniu, że przestrzeń kosmiczna ciągnie się w nieskończoność. Tymczasem kosmolodzy dobrze wiedzą, że wszechświat ma swoje granice.

Po pierwsze, według najlepszych dostępnych modeli, czasoprzestrzeń miała swój początek – w subatomowym punkcie zwanym osobliwością. Ten punkt o ogromnej temperaturze i gęstości gwałtownie się rozszerzył podczas wielkiego wybuchu. Tak powstał wszechświat. Po drugie, obserwowalny wszechświat jest ograniczony tak zwaną horyzontem zdarzeń – granicą, poza którą nie jesteśmy w stanie niczego zaobserwować, ponieważ kosmos rozszerzył się szybciej niż prędkość światła, pozostawiając część przestrzeni poza zasięgiem nawet naszych najlepszych teleskopów.

Te dwa elementy – osobliwość i horyzont zdarzeń – to także kluczowe cechy czarnych dziur. Te grawitacyjne potwory czają się w różnych zakątkach kosmosu, pochłaniając gaz, pył i światło. Podobnie jak wszechświat, czarne dziury są ograniczone własnym horyzontem zdarzeń – granicą, poza którą nic nie może zostać zaobserwowane, i w której przypuszczalnie znajduje się osobliwość. Być może właśnie dlatego niektóre nowe publikacje naukowe sugerują, że nasz cały wszechświat może znajdować się wewnątrz czarnej dziury.

Choć taka hipoteza wykracza poza ramy klasycznej kosmologii, myśl, że możemy żyć wewnątrz czarnej dziury, nie jest już zarezerwowana wyłącznie dla studentów filozofujących po nocach. – To całkiem racjonalna idea – mówi prof. Niayesh Afshordi, astrofizyk z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie. – Chodzi tylko o to, żeby dopracować szczegóły.

Czy czarne dziury rodzą nowe wszechświaty? Niezwykła teoria z poparciem matematyki

Matematyczne podstawy naszej wiedzy o wszechświecie są zaskakująco podobne do tych, które opisują czarne dziury. Oba modele wywodzą się z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Zgodnie z nią, obiekty znajdujące się w przestrzeni zakrzywiają czasoprzestrzeń, co wpływa na ich ruch i tłumaczy zjawisko grawitacji.

Co ciekawe, promień obserwowalnego wszechświata okazuje się być niemal identyczny z promieniem, jaki miałaby czarna dziura o masie równej masie naszego kosmosu.

Na przestrzeni lat to zadziwiające podobieństwo skłoniło niektórych naukowców do postawienia hipotezy, że nasz wszechświat może znajdować się wewnątrz czarnej dziury. Jednymi z pierwszych badaczy, którzy zajęli się szczegółami tej teorii, byli fizyk teoretyczny Raj Kumar Pathria oraz, niezależnie od niego, matematyk I. J. Good – obaj pracowali nad tym zagadnieniem już w latach 70. XX wieku.

Około dwie dekady później fizyk Lee Smolin poszedł o krok dalej, tworząc teorię, według której każda czarna dziura powstająca w naszym wszechświecie tworzy wewnątrz siebie nowy wszechświat, rządzący się nieco innymi prawami fizyki. W ten sposób wszechświaty tworzą się jeden z drugiego, mutując i „ewoluując” w procesie powstawania tzw. wszechświatów potomnych. Lee Smolin nazwał tę koncepcję kosmologiczną selekcją naturalną.

Czy wszechświat działa jak czarna dziura? Zaskakujące punkty wspólne

Choć żadna z tych teorii nie zdobyła powszechnej akceptacji, wielu fizyków wciąż dostrzega powiązania między czarnymi dziurami a wszechświatem. – Z matematycznego punktu widzenia są ze sobą silnie powiązane – mówi Ghazal Geshnizjani, fizyczka teoretyczna z Perimeter Institute. – Są jakby swoimi przeciwieństwami.

Uważa się, że nasz kosmos rozpoczął się od osobliwości – punktu o nieskończonej gęstości, który poprzedził wielki wybuch. Dla kontrastu, czarne dziury kończą się osobliwością – maleńkim „punktem śmieciarki”, w którym wszystko zostaje zmiażdżone i traci swoje znaczenie.

Horyzont zdarzeń czarnej dziury – sferyczna granica wokół osobliwości – to także punkt bez powrotu. Choć w popkulturze czarne dziury są przedstawiane jako kosmiczne odkurzacze, w rzeczywistości są dość spokojnymi obiektami. Statek kosmiczny może wejść na stabilną orbitę wokół czarnej dziury i odlecieć – chyba że przekroczy horyzont zdarzeń. Po jego przekroczeniu nic nie może już się wydostać.

Podobny mechanizm napędza rozszerzanie się naszego wszechświata. Gdy patrzymy w niebo przez teleskopy, widzimy, że odległe obiekty oddalają się szybciej niż te bliższe. W odpowiednio dużych odległościach rozszerzanie się kosmosu następuje szybciej niż prędkość światła, przez co gwiazdy i galaktyki znikają za granicą, którą nazywamy horyzontem kosmicznym. Można odnieść wrażenie, że znikają one w otchłani odwróconej czarnej dziury.

Uff. Zaczyna boleć głowa? Bez obaw – dla naukowców najważniejsze jest to, że pozorne podobieństwa między czarnymi dziurami a wszechświatem nie oznaczają automatycznie, że jedno jest drugim. Aby przejść do takiego wniosku, fizycy musieliby określić konkretne obserwowalne skutki takiej hipotezy.

– Mamy teorie i one mają swoje konsekwencje – mówi prof. Alex Lupsasca, fizyk z Vanderbilt University w Nashville. – Jeśli skutki teorii zostaną obalone przez eksperyment, możemy uznać, że założenia są niespójne lub błędne.

Czy da się udowodnić, że żyjemy w czarnej dziurze? Fizycy szukają odpowiedzi

Jakie byłyby więc obserwowalne skutki, gdyby nasz wszechświat rzeczywiście znajdował się wewnątrz czarnej dziury? Po pierwsze, kosmos mógłby mieć naturalny kierunek lub orientację – galaktyki mogłyby obracać się w preferowany sposób albo w mikrofalowym promieniowaniu tła (czyli cieple pozostałym po wielkim wybuchu) można by wykryć subtelną oś symetrii.

– Można by oczekiwać pewnego rodzaju gradientu w strukturze naszego wszechświata – mówi prof. Niayesh Afshordi. – W jednym kierunku znajdowałoby się centrum czarnej dziury, w przeciwnym – jej zewnętrzna granica.

Tymczasem jednak, zgodnie z najdokładniejszymi pomiarami, w największej skali wszechświat wydaje się być zaskakująco jednorodny i powtarzalny. Fizycy określają to mianem zasady kosmologicznej, według której wszechświat nie posiada wyróżnionego kierunku i praktycznie wszędzie wygląda podobnie. Jak taka jednolitość mogłaby wynikać z narodzin czarnej dziury, pozostaje trudnym pytaniem dla każdego, kto twierdzi, że kosmos istnieje wewnątrz jednej z nich. W końcu czarne dziury powstają z umierających gwiazd – a to proces chaotyczny, nieuporządkowany i bardzo daleki od jednorodności.

Kolejnym problemem jest sama osobliwość czarnej dziury. Ten nieskończenie mały punkt stanowi ostateczny koniec dla każdego obiektu, który wpadnie do czarnej dziury – zupełne przeciwieństwo szybko rozszerzającego się wszechświata.

Aby lepiej zrozumieć te zjawiska, fizycy musieliby nauczyć się, jak połączyć dwie najbardziej udane teorie fizyczne XX wieku: ogólną teorię względności, która opisuje największe obiekty, oraz mechanikę kwantową, rządzącą najmniejszymi cząstkami. Ponieważ osobliwość to mikroskopijny punkt o ogromnej masie, żadna z tych teorii nie potrafi go samodzielnie opisać. Potrzebne byłoby nowe podejście, łączące obie koncepcje – tzw. teoria grawitacji kwantowej. Mimo wielu prób, naukowcy wciąż nie zdołali jej opracować. Z tego powodu nadal nie jesteśmy w stanie ustalić, co dokładnie dzieje się wewnątrz czarnej dziury ani co istniało przed wielkim wybuchem.

Mimo to kosmolodzy zgadzają się, że badanie takich koncepcji jest nie tylko fascynującym wyzwaniem intelektualnym, ale również może prowadzić do przełomowych odkryć. Być może pewnego dnia teorie te skłonią naukowców do przemyślenia obecnych modeli kosmosu – i okaże się, że nasz wszechświat naprawdę znajduje się wewnątrz czarnej dziury.

Źródło: National Geographic Polska