Gyles Lewis
0 
5093
1041
Zwarte gaten behoren tot de meest mysterieuze plekken in het universum; locaties waar het weefsel van ruimte en tijd zo erg vervormd is dat er zelfs geen licht uit kan ontsnappen. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein ligt in hun centrum een singulariteit, een plaats waar de massa van vele sterren wordt samengedrukt tot een volume met precies de grootte nul. Twee recente natuurkundedocumenten, gepubliceerd op 10 december in respectievelijk de tijdschriften Physical Review Letters en Physical Review D, kunnen wetenschappers doen nadenken over wat we denken te weten over zwarte gaten. Zwarte gaten zullen misschien niet eeuwig duren, en het is mogelijk dat we hun aard en hoe ze er in het midden uitzien volledig verkeerd hebben begrepen, volgens de kranten. [Stephen Hawking's meest verre ideeën over zwarte gaten]
De rand van Einsteins fysica
Astronomen en natuurkundigen hebben lang gedacht dat het idee van een singulariteit gewoon verkeerd moet zijn. Als een object met massa geen grootte heeft, dan heeft het een oneindige dichtheid. En hoezeer onderzoekers het woord "oneindigheid" ook gebruiken, dat soort oneindigheden bestaan niet in de natuur. In plaats daarvan, wanneer je een oneindigheid tegenkomt in een echte, fysieke, wetenschappelijke situatie, betekent het echt dat je je wiskunde verder hebt geduwd dan het rijk waarin ze van toepassing zijn. Je hebt nieuwe wiskunde nodig.
Het is gemakkelijk om hier een bekend voorbeeld van te geven. De zwaartekrachtwet van Newton zegt dat de sterkte van de aantrekkingskracht verandert als één over de afstand in het kwadraat tussen twee objecten. Dus als je een bal zou nemen die ver van de aarde verwijderd is, zou deze een bepaald gewicht ervaren. Dan, als je het dichter bij de aarde bracht, zou het gewicht toenemen. Als je die vergelijking tot het uiterste doorvoert, zou het een oneindige kracht ervaren als je het object dichtbij het centrum van de aarde bracht. Maar dat is niet zo.
In plaats daarvan, als je het object dicht bij het aardoppervlak brengt, is de simpele zwaartekrachtswet van Newton niet langer van toepassing. Je moet rekening houden met de feitelijke verdeling van de massa van de aarde, en dit betekent dat je verschillende en complexere vergelijkingen moet gebruiken die ander gedrag voorspellen. Evenzo, hoewel Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er een singulariteit van oneindige dichtheid bestaat in het centrum van zwarte gaten, kan dit niet waar zijn. Bij zeer kleine afmetingen moet een nieuwe zwaartekrachttheorie in het spel komen. We hebben een generieke naam voor deze nieuwe theorie: het heet kwantumzwaartekracht. [8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien]
De naam kwantumzwaartekracht betekent simpelweg 'zwaartekracht op de kleinste schaal', maar de uitdrukking impliceert geen specifieke theorie. Er zijn echter specifieke theoretische voorstellen gedaan die de zwaartekracht beschrijven zoals die is in de microkosmos. Een voorstel heet luskwantumzwaartekracht.
De kwantumzwaartekracht van de lus is wiskundig goed gedefinieerd en drukt het weefsel van ruimte-tijd uit als een rooster van spinnetwerken, die in de loop van de tijd evolueren. Spin-netwerken zijn slechts een wiskundige formulering die beschrijft hoe deeltjes en velden op elkaar inwerken. Vanuit een meer praktisch oogpunt voorspelt luskwantumzwaartekracht dat ruimte-tijd wordt gekwantiseerd, met een kleinst mogelijke eenheid of stukje ruimte en tijd, waarbuiten ruimte-tijd niet verder kan worden onderverdeeld.
De kwantumzwaartekracht van de lus is een moeilijke wiskundige theorie die zich heeft verzet tegen het maken van testbare voorspellingen in zwarte gaten. Abhay Ashtekar en Javier Olmedo van de Pennsylvania State University en Parampreet Singh van de Louisiana State University hebben echter luskwantumzwaartekracht toegepast op het centrum van zwarte gaten. Ze beweren dat het resultaat geen singulariteit is.
Hun berekening voorspelt dat ruimte-tijd zeer sterk gekromd is nabij het midden van het zwarte gat. Het resultaat is dat ruimte-tijd zich voortzet in een gebied in de toekomst dat de structuur heeft van een wit gat. Een wit gat is als een omgekeerd zwart gat, wat betekent dat in tegenstelling tot een zwart gat, dat materie naar binnen trekt, een wit gat materie eruit schiet.
Er is misschien een andere manier om je voor te stellen wat ze voorspellen. Het is bekend dat in sterke zwaartekrachtvelden de tijd langzamer gaat. En zwarte gaten bevatten de sterkste zwaartekrachtvelden in het universum. Daarom is een mogelijke interpretatie van dit nieuwe werk dat materie in een zwart gat valt en dan "stuitert" en de massa terugschiet door de kosmos. Omdat de tijd nabij het midden van een zwart gat zo langzaam is, kost dat proces gewoon enorm veel tijd. Als de onderzoekers gelijk hebben, zal in de zeer verre toekomst, waar nu zwarte gaten zijn, materie uitbarsten en materie door de kosmos verspreiden.
Zoals altijd in de theoretische wetenschap zijn er veel interessante en provocerende ideeën die gewoon niet waar zijn, en dit kan er een van zijn. Het is dus belangrijk om te zien of er experimentele ondersteuning is voor theoretische ideeën als deze.
Er zijn een paar mogelijkheden. Wetenschappers hebben fenomenen met zeer hoge energie in de ruimte waargenomen die niet volledig zijn verklaard. Een daarvan is het bestaan van kosmische straling met zeer hoge energie die de atmosfeer van de aarde raakt. Een andere is wat wordt genoemd "snelle radioflitsen", dat is wanneer een grote hoeveelheid radio-energie wordt waargenomen in een zeer korte tijd. Beide verschijnselen zouden, althans in principe, de handtekening kunnen zijn van een zwart gat dat overgaat in een wit gat.
Het is zeker voorbarig om dit interessante nieuwe idee te accepteren. In plaats daarvan zou het verstandig zijn om te zien hoe lopende berekeningen met behulp van lusquantumzwaartekracht zich ontvouwen. Als voorspellingen verbeteren en meer gaan lijken op enkele van de onverklaarde waargenomen astronomische verschijnselen, kan het zijn dat dit nieuwe resultaat zowel de werking van kwantumzwaartekracht zal verklaren als ons begrip van zowel het verleden als de toekomst van ons universum zal hervormen..
- De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- Wat is dat? Uw vragen over natuurkunde beantwoord
- Wetenschappelijk feit of fictie? De plausibiliteit van 10 Sci-Fi-concepten
Oorspronkelijk gepubliceerd op .
Don Lincoln is natuurkundeonderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson en andere dingen die je versteld zullen doen staan"(Johns Hopkins University Press, 2014), en hij geeft een serie wetenschappelijk onderwijs videos. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan 's Expertvoices: Op-Ed & Insights.