Zwarte gaten behoren tot de meest mysterieuze plekken in het universum; locaties waar de structuur van ruimte en tijd zo erg is vervormd dat zelfs het licht er niet uit kan ontsnappen. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein ligt in hun centrum een singulariteit, een plaats waar de massa van vele sterren wordt samengeperst tot een volume met een grootte van precies nul. Echter, twee recente natuurkundige artikelen, gepubliceerd op 10 december in respectievelijk de tijdschriften Physical Review Letters en Physical Review D, kunnen wetenschappers doen heroverwegen wat we denken te weten over zwarte gaten. Zwarte gaten duren misschien niet eeuwig, en het is mogelijk dat we hun aard en hoe ze eruit zien in het midden volledig verkeerd hebben begrepen, volgens de kranten.
De rand van de natuurkunde van Einstein
Astronomen en natuurkundigen hebben lang gedacht dat het idee van een singulariteit gewoon verkeerd moet zijn. Als een object met massa geen afmeting heeft, dan heeft het een oneindige dichtheid. En hoe veel onderzoekers het woord 'oneindigheid' ook gooien, zulke oneindigheden bestaan niet in de natuur. In plaats daarvan, wanneer je een oneindigheid tegenkomt in een echte, fysieke, wetenschappelijke situatie, betekent het eigenlijk dat je je wiskunde voorbij het rijk hebt geduwd waar ze van toepassing zijn. Je hebt nieuwe wiskunde nodig.
Het is gemakkelijk om hiervan een bekend voorbeeld te geven. De zwaartekrachtwet van Newton zegt dat de sterkte van de aantrekkingskracht door de zwaartekracht verandert als één over de afstand in het kwadraat tussen twee objecten. Dus als je een bal ver van de aarde zou nemen, zou hij een bepaald gewicht ervaren. Toen je het dichter bij de aarde bracht, zou het gewicht toenemen. Als je die vergelijking tot het uiterste zou nemen, zou je een oneindige kracht ervaren als je het object dichtbij het middelpunt van de aarde bracht. Maar dat is niet zo.
In plaats daarvan is de simpele zwaartekrachtswet van Newton niet langer van toepassing wanneer u het object dicht bij het aardoppervlak brengt. 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 kan Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie voorspellen dat er een singulariteit van oneindige dichtheid bestaat in het centrum van zwarte gaten, maar dit kan niet waar zijn. Bij zeer kleine afmetingen moet er een nieuwe theorie van de zwaartekracht in het spel komen. We hebben een generieke naam voor deze nieuwe theorie: het heet kwantumzwaartekracht.
De naam kwantumzwaartekracht betekent gewoon 'zwaartekracht op de kleinste schaal', maar de uitdrukking impliceert geen specifieke theorie. Er zijn echter specifieke theoretische voorstellen gedaan die de zwaartekracht zouden beschrijven zoals die zich in de microkosmos bevindt. Een voorstel heet loop quantum gravity.
De kwantumzwaartekracht van de lus is wiskundig goed gedefinieerd en drukt de structuur van de ruimtetijd uit als een rooster van spinnetwerken, die in de tijd evolueren. Spinnetwerken zijn slechts een wiskundige formulering die beschrijft hoe deeltjes en velden op elkaar inwerken. Vanuit een meer praktisch oogpunt voorspelt lus-kwantumzwaartekracht dat ruimtetijd gekwantiseerd wordt, met een kleinst mogelijke eenheid of stuk ruimte en tijd, waarboven ruimtetijd niet verder kan worden onderverdeeld.
Loop quantum gravity is een moeilijke wiskundige theorie die het maken van testbare voorspellingen in zwarte gaten heeft weerstaan. Abhay Ashtekar en Javier Olmedo van de Pennsylvania State University en Parampreet Singh van de Louisiana State University hebben echter lus-kwantumzwaartekracht toegepast op het centrum van zwarte gaten. Ze beweren dat het resultaat geen singulariteit is.
Hun berekening voorspelt dat de ruimtetijd zeer sterk is gebogen nabij het midden van het zwarte gat. Het resultaat is dat ruimte-tijd in de toekomst doorgaat naar een regio met de structuur 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. Hierdoor 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 zo langzaam is nabij het midden van een zwart gat, kost dat proces gewoon enorm veel tijd. Als de onderzoekers gelijk hebben, in de verre toekomst, waar nu zwarte gaten zijn, zal 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 zijn. Het is dus belangrijk om te zien of er experimentele ondersteuning is voor dergelijke theoretische ideeën.
Er zijn een paar mogelijkheden. Wetenschappers hebben zeer hoge energiefenomenen in de ruimte waargenomen die niet volledig zijn verklaard. Een daarvan is het bestaan van kosmische stralen met zeer hoge energie die de atmosfeer van de aarde raken. Een andere is wat wordt genoemd "snelle radiostoten", dat is wanneer een grote hoeveelheid radio-energie wordt waargenomen in een zeer korte tijd. Beide fenomenen kunnen, althans in principe, de handtekening zijn van een zwart gat dat overgaat in een wit gat.
Het is voorbarig om dit interessante nieuwe idee te accepteren. In plaats daarvan zou het verstandig zijn om te zien hoe lopende berekeningen met behulp van lus-kwantumzwaartekracht verlopen. Als voorspellingen verbeteren en meer gaan lijken op enkele van de onverklaarbare waargenomen astronomische verschijnselen, kan het zijn dat dit nieuwe resultaat zowel zal uitleggen hoe kwantumzwaartekracht werkt als ons begrip van zowel het verleden als de toekomst van ons universum zal hervormen.
Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks wetenschappelijk onderwijs videos. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com Expert Voices: Op-Ed & Insights.
