Prof. Thomas Hertog
Artimiausias prof. Stepheno Hawkingo bendradarbis paaiškina naujus įrodymus, patvirtinančius kosmologo paskutines mintis apie laiką
Vienas iš pagrindinių prof. Stepheno Hawkingo juodųjų skylių teorijos elementų teigia, kad juodosios skylės gali tik augti. Dėl tikslių stebėjimų, atliktų naudojant lazerinę interferometrinę gravitacinių bangų observatoriją (LIGO), ši teorija pirmą kartą buvo patikrinta.
Tai žymi naują etapą praėjus lygiai 10 metų po pirmojo LIGO gravitacinių bangų aptikimo.
Svarbiausia, kad tai rodo, jog pažangūs gravitacinių raibulių stebėjimai gali pasiekti giliausias fizikos šaknis. Ateityje jie netgi gali atskleisti, kad Visata yra holograma.
Teorinis atradimas, kad po mums pažįstama erdvės ir laiko realybe gali slypėti holograma, yra vienas svarbiausių, gluminančių ir toli siekiančių XX a. pabaigos fizikos atradimų.
Fizikai vis dar nesutaria, kokią formą ši holograma galėtų įgauti, tačiau vien hologramos idėja atvėrė implikacijas, kurios jau neatpažįstamai pakeitė teorinę fiziką.
Dešimtmečius fizikai stengėsi sujungti bendrojo reliatyvumo ir kvantinės mechanikos teorijas. Holografijos atradimas būtent tai ir gali padaryti.
Ji parodė, kad gravitacija ir kvantinė teorija nebūtinai turi būti priešingos viena kitai, kaip vanduo ir ugnis, bet gali būti kaip in ir jang: du labai skirtingi, tačiau vienas kitą papildantys tos pačios fizinės realybės aprašymai.
Holografija teigia, kad fizinės sistemos gali būti gravitacinės ir kvantinės tuo pačiu metu, nors ir skirtinguose matmenyse. Tai yra holografijos sukeltas perspektyvos pokytis.
Diagrama, vaizduojanti, kaip Visata gali atsirasti iš hologramos, kur susieti kubitai ant jos ribos koduoja informaciją, formuojančią laiką ir erdvę – Vaizdo autorius: Thomas Hertog
Galbūt visa mūsų besiplečianti Visata gali būti holograma – tai buvo paskutinė Hawkingo Visatos teorija. Mums pažįstamose hologramose trečiasis erdvės matmuo atsiranda iš šviesos, projektuojamos ant paviršiaus.
Tačiau pagal kosmoso kaip hologramos idėją būtent laiko matmuo gali būti holografiškai užkoduotas. Tai yra, Visatos evoliucija gali būti holografinė projekcija.
Paskutinės Hawkingo mintys apie laiko atsiradimą kaip holografinės projekcijos yra įkapsuliuotos disko formos vaizde (žr. diagramą aukščiau).
Išorinis apskritimas vaizduoja nesenstančią hologramą, sudarytą iš daugybės susietų kvantinių bitų arba kubitų, panašių į dalelių sukinio būseną. (Kubitas yra pagrindinis kvantinės informacijos vienetas, galintis egzistuoti kelių būsenų derinyje vienu metu.)
Manoma, kad iš to kyla besiplečiančios Visatos evoliucija. Disko centre slypi Visatos, kuri plečiasi į išorę vadinamąja „radialine kryptimi“, ištakos.
Tarsi susietuose kubituose veiktų kodas, kuris sukuria Visatą, ir šį atsiradimo procesą mes suvokiame kaip laiko tėkmę. Galime grįžti laiku atgal, link disko vidaus, žiūrėdami į išorinę hologramą miglotesniu vaizdu – tarsi atitolindami paveikslėlį. Tačiau galiausiai bitų pritrūksta. Tai būtų laiko ištakos holografinėje kosmoso vizijoje.
Jei tai tiesa, iki Didžiojo sprogimo nieko negalėjo būti, nes praeitis, kuri holografiškai atsiranda, tiesiog nesitęsia toliau.
Šios teorinės įžvalgos, jei bus įrodytos, atvers radikaliai naują Visatos kilmės supratimą. Nuo pat Didžiojo sprogimo atradimo XX a. 4-ojo dešimtmečio pradžioje buvo savotiška mįslė, kaip galėjo atsirasti laikas.
Fizikai, įskaitant Hawkingą, tradiciškai siekė pateikti iš esmės priežastinį pasaulio pradžios paaiškinimą.
Tačiau kosmoso kaip hologramos idėja siūlo kitokį požiūrį. Artėjant Didžiajam sprogimui, klasikinė fizika žlunga. Holografijoje Didysis sprogimas žymi ne tik laiko pradžią, bet ir pažįstamų fizikos dėsnių atsiradimą.
Ar juodosios skylės yra hologramos?
Aštuntajame dešimtmetyje Jacobas Bekensteinas ir Stephenas Hawkingas, atlikę išradingą mintinį eksperimentą, atrado, kad juodosios skylės nėra tuščios bedugnės duobės, kaip teigia Einšteino bendroji reliatyvumo teorija.
Jos veikiau saugo didžiulį kiekį informacijos apie savo istoriją paslaptingoje mikroskopinėje struktūroje. Hawkingas teigė, kad juodosios skylės iš tikrųjų būtų patys efektyviausi kietieji diskai Visatoje.
Stephenas Hawkingas ir jo kolega Thomas Hertog
Kolegos Thomas Hertog ir Stephenas Hawkingas suabejojo teorija, kurią Hawkingas iškėlė savo knygoje „Trumpa laiko istorija“ – nuotraukos autorius: Thomas Hertog
Pavyzdžiui, Sagittarius A* (Šaulys A*), didžiulė juodoji skylė, slypinti Paukščių Tako centre, gali saugoti ne mažiau kaip 1080 gigabaitų ekvivalentą (tai yra 1, po kurio seka 80 nulių – neįsivaizduojamai didelis skaičius).
Visi „Google“ saugyklų duomenys lengvai tilptų į juodąją skylę, mažesnę už protoną.
Hawkingas netgi išvedė tikslią matematinę formulę informacijos kiekiui, arba entropijai, kurią talpina juodosios skylės, apskaičiuoti. Nepaisant to, Hawkingo formulė yra gana gluminanti.
Pirma, ji reiškia, kad juodųjų skylių entropija auga kartu su jų įvykių horizonto paviršiaus plotu, o ne su jų vidiniu tūriu. Tai keista.
Visų žinomų sistemų, tokių kaip bibliotekos, kietieji diskai, informacijos saugojimo talpa yra susieta su jų vidiniu tūriu, o ne su jas supančio paviršiaus plotu.
Pavyzdžiui, jei norėtumėte įvertinti informacijos kiekį bibliotekoje, turėtumėte suskaičiuoti knygų skaičių visose lentynose, o ne tik tas, kurios išdėstytos palei sienas.
Atrodo, kad su juodosiomis skylėmis taip nėra.
Norėdami apskaičiuoti juodosios skylės kvantinės informacijos kiekį, Bekensteinas ir Hawkingas siūlo mums atsižvelgti į įvykių horizonto paviršiaus plotą ir jį padengti tinklelio pavidalo mažyčių langelių modeliu, kurių kiekvienos kraštinės ilgis yra vienas kvantas – vos 10–33 cm (tai yra 0,000…0001, su 32 nuliais po kablelio prieš 1).
Svarbiausia šios entropijos lygties įžvalga yra ta, kad kiekvienas kvantas įvykių horizonte neša vieną informacijos bitą.
Kiekvienas iš šių bitų gali potencialiai atsakyti į vieną klausimą, į kurį galima atsakyti teigiamai arba neigiamai apie juodosios skylės evoliuciją ir jos mikrostruktūrą, ir visų šių bitų surinkimas būtų viskas, ką reikia žinoti apie juodąją skylę.
Tai buvo pirmasis holografijos žybsnis šiuolaikinėje fizikoje: juodųjų skylių talpa nustatoma ne pagal jų vidinį tūrį, o pagal jų horizonto paviršiaus plotą. Kvantiniu požiūriu, juodosios skylės tarsi neturėtų vidinio sluoksnio, o iš tikrųjų būtų hologramos.
Entropija taip pat yra fizinės sistemos netvarkos matas. Didelė entropija reiškia, kad sistema yra labai netvarkingoje būsenoje, o maža entropija – labai tvarkinga.
Šiame paveikslėlyje pavaizduota Sagittarius A*, supermasyvi juodoji skylė Paukščių Tako centre, užfiksuota 2017 m. įvykių horizonto teleskopo (EHT) stebėjimais. Pati juodoji skylė yra visiškai tamsi, apsupta žėrinčių dujų žiedo, kurį iškreipia gravitacija. Nuotraukos šaltinis: „Science Photo Library“.
Taip pat turėtų būti, kai dvi juodosios skylės susiduria ir susijungia. Kai tai įvyksta, jų masės susijungia, padidindamos jų paviršiaus plotą. Tačiau jos taip pat praranda energiją gravitacinių bangų pliūpsnio pavidalu.
Be to, susijungimas gali padidinti naujos juodosios skylės sukimąsi, o tai, pasak Einšteino teorijos, sumažina jos paviršiaus plotą.
Hawkingo teorija teigia, kad visų šių prieštaringų veiksnių derinys turėtų padidinti bendrą paviršiaus plotą bet kokiomis aplinkybėmis, todėl susidaro didesnė juodoji skylė.
2025 m. viduryje tiksli išskirtinai galingos gravitacinės bangos, sklindančios iš dviejų susijungiančių juodųjų skylių, analizė leido pirmą kartą patikrinti Hawkingo teoriją.
Šiandien, praėjus daugiau nei šimtmečiui, pirmieji šių sunkiai aptinkamų raibulių aptikimai tarsi cunamis skrieja per fiziką ir astronomiją.
Kodėl? Nes gravitacinių bangų stebėjimo atradimas skelbia savotišką revoliuciją: tai žymi visiškai naujos astronomijos gimimą.
Ši iliustracija rodo dviejų juodųjų skylių susijungimą ir gravitacines bangas, kurios raibuliuoja į išorę, juodosioms skylėms spirale artėjant viena prie kitos.
Vaizdo šaltinis: „Science Photo Library“.
Nuo pat pirmųjų Galileo teleskopinių stebėjimų 1609 m. beveik viską, ką sužinojome apie Visatą, pasiekėme per astronominius įvairių dažnių šviesos stebėjimus – nuo radijo bangų iki gama spinduliuotės.
XXI amžius bus era, kai keliausime po kosmosą, vadovaudamiesi ir gravitacinių bangų stebėjimais – visiškai nauju Visatos tyrinėjimo būdu.
Tarsi žmonija lavina naują pojūtį, tarsi mokomės klausytis kosmoso garsų, o ne tik žvelgti aukštyn.
Gravitacinių bangų pliūpsniai nuolat generuojami per audringus kosminius įvykius, pavyzdžiui, susidūrus juodosioms skylėms, ir net pačioje Didžiojo sprogimo pradžioje.
Sugeneruotas gravitacinių bangų impulsas pasklinda šviesos greičiu ir netrukdomai sklinda per viską – per planetas, žvaigždes ir net tamsiosios materijos debesis.
Kai gravitacinės bangos sklinda pro Žemę, atstumai ir trukmė trumpam ištempiami ir suspaudžiami, tarsi Visatos kvėpavimas šnarėtų per planetą.
Tai silpni kai kurių galingiausių ir paslaptingiausių kosminių įvykių aidai.
Svarbu tai, kad, remdamiesi Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos pagalba, atvirkštinės inžinerijos būdu interpretuodami stebimus gravitacinių bangų modelius, galime atskleisti kosminius gravitacinių bangų pliūpsnių, sklindančių per Žemę, šaltinius.
Praėjusiais metais atlikto išskirtinai galingo signalo, užregistruoto kaip GW250114 (skaičiai rodo datą, kada gravitacinės bangos pasiekė Žemę, pradedant metais – 2025, tada mėnesiu – sausiu, o tada diena – 14), atvirkštinės inžinerijos būdu nustatyta, kad signalas sklinda iš dviejų juodųjų skylių, esančių maždaug už 1,3 milijardo šviesmečių ir kurių masė 30–40 kartų didesnė už Saulės masę. Jos susidūrė ir susijungė, sudarydamos naują juodąją skylę.
Tai gana panašus šaltinis į patį pirmąjį LIGO aptikimą (GW150914). Tačiau dėl dešimtmečio technologinės pažangos, sumažinusios prietaisų keliamą triukšmą, GW250114 signalas yra žymiai garsesnis nei GW150914.
Tai leido gravitacinių bangų tyrėjams nustatyti, kad naujos juodosios skylės įvykių horizonto paviršiaus plotas iš tiesų yra didesnis nei dviejų pradinių juodųjų skylių įvykių horizontų suma.
Pradinių juodųjų skylių bendras paviršiaus plotas buvo 240 000 km2 – kiekvienos iš jų masė buvo 30 kartų didesnė už Saulę, tačiau jos buvo suspaustos į sferą, kurios paviršiaus plotas maždaug Britanijos dydžio.
Naujosios juodosios skylės paviršiaus plotas yra apie 400 000 km2 – tai reikšmingas padidėjimas, kuris, regis, patvirtina Hawkingo teoriją.
Sudėtingiausia tokio tipo analizės dalis yra naujos juodosios skylės paviršiaus ploto nustatymas.
Dviejų juodųjų skylių dydį prieš susijungimą galima gana lengvai nustatyti pagal gravitacinių bangų modelį, susidarantį joms skriejant viena aplink kitą. Tačiau kai juodosios skylės susijungia, signalas greitai išnyksta, panašiai kaip skambant mušamam varpui.
Tačiau, kaip ir varpas, juodosios skylės skambėjimo tembras – būdingi dažniai, kuriais ji vibruoja – priklauso nuo jos dydžio ir gali būti labai tiksliai apskaičiuoti pagal Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją.
Garsus GW250114 signalas leido tyrėjams tiksliai nustatyti tembrą, o tai leido jiems apskaičiuoti naujos juodosios skylės masę ir sukinį, remiantis Einšteino teorija, o vėliau nustatyti jos paviršiaus plotą, taip patikrinant Hawkingo teoriją.
Tai rodo, kad pažangūs gravitacinių bangų stebėjimai gali iš tiesų pasiekti giliausius fizikos pagrindus.
Tačiau, kaip dažnai nutinka fundamentiniuose tyrimuose, kol kas šis naujas atradimas kelia daugiau klausimų nei atsakymų.
Net ir garsiausi gravitacinių bangų signalai mums absoliučiai nieko nepasako apie paslaptingą mikrostruktūrą, kurioje juodosios skylės tariamai saugo gigabaitus informacijos.
Atrodo, lyg juodosios skylės būtų ir paprastos, ir nepaprastai sudėtingos vienu metu.
Šis dvilypumas yra įtampos tarp Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos ir kvantinės mechanikos išraiška.
Kas yra juodosios skylės kubitai? Ar jos tikrai apsiriboja horizonto paviršiumi, kaip rodo Hawkingo formulė, holografiškai projektuodamos bet kokį egzistuojantį vidų? Ir, svarbiausia, kas nutinka su didžiuliu informacijos kiekiu, kai juodoji skylė sensta?
Nauji įrodymai
Kaip juodosios skylės sprogimas gali paaiškinti viską.
Nors mirštančių žvaigždžių kolapso metu atsiradusių juodųjų skylių spinduliuotė yra šalta ir neaptinkama, Hawkingas taip pat spėliojo, kad netrukus po Didžiojo sprogimo galėjo susidaryti daug mažesnės juodosios skylės.
Tokios pirmykštės juodosios skylės, jei jos egzistuoja, gali būti daug karštesnės ir netgi sprogti.
Iš tiesų, 2026 m. vasarį JAV Masačusetso universiteto Amherste tyrėjai teigė, kad 2023 m. KM3NeT bendradarbiavimo projekto metu aptikta nepaprastai didelės energijos neutrino dalelė gali būti tokio pirmykščio juodosios skylės sprogimo liekana.
Jei tai bus patvirtinta, būsimi neutrinų stebėjimai atvers viliojantį langą į paslaptingiausių gamtos objektų kvantinę dinamiką.
Kol kas tai neaiškūs, spekuliatyvūs atradimai, tačiau – jei jie teisingi – leistų pažvelgti į Hawkingo spinduliuotę ir įrodytų Visatos kaip hologramos teoriją.
Juodosios skylės spinduliuotė
Entropija eina koja kojon su temperatūra, net ir juodosiose skylėse. Iš tiesų, ant Hawkingo kapo Vestminsterio abatijoje, tarsi tai būtų jo bilietas į nemirtingumą, galite rasti Hawkingo formulę juodosios skylės temperatūrai.
Raidė T Hawkingo formulėje žymi juodosios skylės temperatūrą, o M – jos masę.
Visi likę dydžiai yra pagrindinės gamtos konstantos: c yra šviesos greitis, G yra Niutono gravitacinė konstanta, ħ yra Planko kvantinė konstanta, o k yra Bolcmano termodinamikos – energijos ir šilumos – konstanta.
Hawkingo formulės grožis slypi tame, kad ji sujungia visas šias konstantas į vieną lygtį.
Kitaip nei kitos garsios XX amžiaus fizikos lygtys, tokios kaip Einšteino ar Šriodingerio lygtys, apibūdinančios atskiras fizikos sritis, ši formulė atskleidžia skirtingų sričių sąveiką.
Sujungdamas kvantinės teorijos ir bendrosios reliatyvumo teorijos principus, Hawkingas rizikavo matematiškai, tačiau buvo apdovanotas įžvalga, kurios nebūtų galėjęs suteikti nei reliatyvumas, nei kvantinė teorija atskirai: juodosios skylės skleidžia mažytį šiluminės spinduliuotės srautą.
Nors šaltos, mažos ir visiškai neaptinkamos, vien Hawkingo spinduliuotės, sklindančios iš juodųjų skylių, egzistavimas reiškė, kad jos lėtai praranda masę ir galiausiai išnyksta.
Koks likimas informacijos, užrakintos juodojoje skylėje, kai ji išgaruoja? Hawkingo džiaugsmui, tai tapo sudėtingiausia XX amžiaus pabaigos teorinės fizikos mįsle, kankinusia ne vieną, o dvi fizikų kartas.
Daugeliu atžvilgių juodosios skylės informacijos mįslė yra šiuolaikinis XIX amžiaus Merkurijaus anomalijos analogas – Merkurijaus orbitos svyravimas, paneigęs Niutono teoriją.
Iš pradžių manyta, kad bet kokia informacija juodosiose skylėse turi būti prarasta amžiams, kai skylė išnyksta, nes Hawkingo spinduliuotė atrodė visiškai be bruožų.
Atrodė, kad juodosios skylės yra galutiniai informacijos trintukai, nors kvantinė teorija teigia, kad tai neįmanoma. „Fizika turi rimtų problemų“, – pareiškė Hawkingas, – „kvantinę teoriją reikia peržiūrėti“.
Tačiau XXI amžiaus pradžioje į pagalbą atėjo holografija.
Fizikai pagaliau geriau suprato juodųjų skylių holografinę prigimtį – nors ir įsivaizduojant ją idealioje matematinėje aplinkoje – ir visa eilė naujų minčių bei mintinių eksperimentų atskleidė, kad Hawkingo spinduliuotė nėra tokia be bruožų, kaip atrodė iš pradžių.
Dabar atrodo, kad ji neša didžiulį kiekį informacijos, užšifruotos sudėtingame subtilių, tarpusavyje susijusių, spinduliuojančių dalelių koreliacijų tinkle.
Fizika buvo išgelbėta. Kol kas.
Ištrinti neįmanoma: kas nutinka informacijai, įkeltai į dirbtinio intelekto modelį?
Dviejų juodųjų skylių šokis užburiančioje NASA animacijoje
Juodosios skylės gali būti panašios į hologramas
Ar tamsioji materija galėtų būti sudaryta iš juodųjų skylių iš ankstesnės Visatos?
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją