Univerzum: lehet, hogy hétdimenziós a világegyetem, csak nem tudunk róla

A világhírű brit elméleti fizikus, Stephen Hawking 1974-ben publikált és szakmai körökben rendkívül nagy visszhangot kiváltott teóriája szerint a fekete lyukak az idő múlásával tökéletesen elpárolognak, csakhogy ez a hipotézis alapvetően ellentmond a kvantummechanika törvényeinek. Egy frissen publikált kutatás viszont arra az eredményre jutott, hogy a Hawking-paradoxon igaz lehet, feltéve, hogy az univerzum hétdimenziós.

A Hawking-sugárzás ellentmond a kvantummechanika törvényeinek Fotó: Science Library

Az univerzum legrejtélyesebb objektumai, a fekete lyukak viselkedésének leírása az egyik legnagyobb kihívás az asztrofizikusok számára. Az egyik ilyen jelenség, a Hawking-sugárzás, illetve a fekete lyukak párolgásának a paradoxona mindannak ellentmond, amit a kvantummechanika megenged.

Az univerzum legrejtélyesebb objektumai a fekete lyukak   Fotó: Scientific American

Az univerzum rejtett dimenziói

Egy új elméleti tanulmány arra a konklúzióra jutott, hogy a fekete lyukak soha nem párologhatnak el teljesen, ami ellentmond Stephen Hawking a fekete lyukak párolgására vonatkozó elhíresült elméletének, amely látszólag sérti a kvantummechanika alapvető törvényeit. A tanulmányt jegyző tudóscsoport szerint Hawking feltevése nem teljesen pontos, mivel a fekete lyukak olyan apró és stabil maradványokat hagyhatnak maguk után, amelyekben az összes korábbi információ megőrződik.

Stephen Hawking vetette fel a fekete lyukak anyagvesztésének, párolgásának lehetőségét  Fotó: Paul E. Alers

A Hawking-sugárzás egy elméletileg megjósolt, de kísérleti eredménnyel vagy megfigyeléssel még nem igazolt feketetest-sugárzás, ami a fekete lyukak eseményhorizontjának környezetében keletkezik kvantummechanikai jelenségek miatt. A Hawking-sugárzás következményeként a fekete lyukak energiája és tömege is folyamatosan csökken; ezt a jelenséget nevezik a fekete lyukak párolgásának.

Ahhoz viszont, hogy az elmélet működjön, a világegyetemnek további három olyan rejtett dimenzióval kell rendelkeznie, amit nem tudunk érzékelni, vagyis a téridő nem négy-, hanem hétdimenziós – állítják a tanulmány szerzői. 

Ahogy ezek a rejtett dimenziók felgyűrődnek, illetve elcsavarodnak, olyan antigravitációs taszítóerőt hoznak létre ami megakadályozza a fekete lyukak teljes elpárolgását.

 A munka – bár közvetlenül nehezen tesztelhető – a fekete lyukakat az extradimenziók geometriájához köti, új megközelítést kínálva a fizika egyik legmélyebb rejtélyének.

Egy nyugtalanító jelenség, amit információvesztési paradoxonnak hívnak

A fekete lyukakat korábban olyan extrém kozmikus gravitációs csapdáknak tekintették, amelyekben bezáródik a téridő, és ahonnan így semmi, semmilyen információ sem szabadulhat ki. A híres brit fizikus, Stephen Hawking ezzel szemben az 1974-ben közzétett tanulmányában arra a következtetésre jutott, hogy a fekete lyukak az eseményhorizontjuk környékén olyan sugárzást bocsátanak ki, ami idővel felemészti, elpárologtatja őket, ez viszont egy nyugtalanító ellentmondáshoz, az úgynevezett információvesztési paradoxonhoz vezetett.

                             A fekete lyukak létezését Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg először                                                      Fotó: Wikimedia Commons

 „Képzeljük el, hogy tűzbe dobunk egy könyvet” – mondja Richard Pinčák, a tanulmány társszerzője és a Szlovák Tudományos Akadémia Kísérleti Fizikai Intézetének vezető kutatója, akit a Live Science tudományos hírportál idéz „A könyv ugyan megsemmisült, de elvileg minden szót rekonstruálni lehet a füstből, a hamuból és a hőből – tehát az információ összekeveredik, de nem vész el” – szemlélteti az információmegmaradás törvényét a kutató. 

Egy fekete lyuk eseményhorizontjának művészi ábrája    Fotó: ESA

De amikor egy fekete lyuk teljesen elpárolog, úgy tűnik, hogy minden információ, ami beleesett, eltűnik, megsértve ezzel a kvantummechanika egyik alapelvét. A fizikusok évtizedek óta küzdenek ennek a paradoxonnak a feloldásával. A General Relativity and Gravitation szakfolyóiratban március 19-én megjelent új tanulmány azt sugallja, hogy a válasz magában a téridő rejtett szerkezetében rejlik.

Valójában hét dimenziója lehet az univerzumnak

Az új kutatás egy olyan univerzum modellből indul ki, amelyben a világegyetem nem négy, hanem hét dimenzióval rendelkezik. 

Az einsteini univerzum négy dimenzióján felüli további három dimenzió kompakt és a hétköznapi érzékelési rendszerben láthatatlan. 

„A világegyetemben három térdimenziót és egy idődimenziót tapasztalunk, összesen tehát négy dimenziót – mondja Richard Pinčák. – Modellünk szerint a világegyetemnek valójában hét dimenziója van: a négy, amit ismerünk, plusz három apró extra dimenzió, amelyek olyan szorosan összegömbölyödnek, hogy közvetlenül nem tudjuk érzékelni őket” – teszi hozzá a tanulmány társszerzője.

A tudóscsoport szerint ténylegesen hét dimenzióval rendelkezhet az univerzum    Fotó: NASA/JPL-Caltech

Ezek az extra dimenziók egy erősen szimmetrikus struktúrában helyezkednek el, amelyet G₂ geometriának neveznek. Ez a matematikai keretrendszer, amelyet gyakran vizsgálnak olyan fejlett elméletekben, mint például a húrelmélet M-elméletként ismert változata, meghatározza, hogyan válhatnak „hajtogatottá” a rejtett dimenziók. „Ezt úgy képzeljük el, mint az origamit – mondja Pinčák. – A papír hajtogatásának módja határozza meg, hogy mit tud tenni a végső forma” – fűzi hozzá a kutató. Az új modellben ez a geometriai szerkezet egy torziónak nevezett fizikai hatást hoz létre, amely a téridő csavarodásaként fogható fel. 

                                               A galaxisok központjában lévő szupermasszív fekete lyukakból származó anyagkiáramlások az asztrofizikai nagy rejtélyei                                                        Fotó: ALMA/ESA

Ez a torziós mező pedig kulcsfontosságú szerepet játszik a fekete lyukak fizikájában. A tanulmány kimutatta, hogy a torziós erő egy olyan taszítóerőt generál, amely rendkívül kisléptékben, a fekete lyuk életének vége felé válik igazán fontossá. Ahogy a fekete lyuk a Hawking-sugárzás hatására összezsugorodik, ez az erő ellensúlyozza végül a további összeomlást. „Ez a taszítóerő fékként működik, megállítva a párolgást, még mielőtt a fekete lyuk teljesen eltűnne” – magyarázza Richard Pinčák, a Szlovák Tudományos Akadémia Kísérleti Fizikai Intézetének vezető kutatója.

Az elektronnál tízmilliárdszor kisebb tömeg őrzi az összes információt

A tanulmány szerzői által elvégzett modellszámítások szerint a fekete lyuk ahelyett, hogy eltűnne, egy felfoghatatlanul apró maradványként stabilizálódik. Ennek a megmaradt objektumnak a tömege körülbelül 9 × 10⁻⁴¹ kilogramm – ez körülbelül 10 milliárdszor kisebb, mint egy elektron tömege. Döntő fontosságú, hogy ez a rendkívül apró maradvány képes tárolni a fekete lyukba hullott valamennyi információt, elkerülve a kvantummechanika bármilyen megsértését. 

A fekete lyukak az univerzum legkülönlegesebb objektumai   Fotó: NASA/D. Berry

Az információ finom oszcillációkban, kvázinormális módusokban kódolódik, amelyek az elveszett adatok hordozóiként működnek. A modell egy további váratlan részecskefizikai kapcsolatot is feltár: a három rejtett dimenzió létezése a torzió jelenlétével együtt hozza létre a Higgs-mechanizmusért felelős részecske-kölcsönhatások mintázatát, 

vagyis azt a jelenséget, ami tömeget ad az elemi részecskéknek, például az elektronoknak és a kvarkoknak. 

„Ugyanez a torziós mező egy olyan potenciális energia-tájképet generál, amelynek azzal egyezik a formája ami a W és Z bozonok – a gyenge magerő hordozói – tömegéért felelős” – magyarázza Richard Pinčák. Ez a kapcsolat a fekete lyukak viselkedését az elektrogyenge skálához köti, ami a részecskefizikában egy jól ismert energiaskála.

Új fizika veszi át az irányítást az utolsó fázisban

A modellnek azonban komoly kihívásokkal is szembe kell néznie. A fekete lyukak párolgásáról szóló standard leírás egy félklasszikus megközelítésen alapul, ami viszont a várhatóan rendkívül kis, a Planck-tömeghez közeli skálákon – körülbelül 10⁻⁶ grammon – már nem működik. Ez az a tömegskála, amelyen a kvantumgravitációs hatások felerősödnek, éppen ezért lehetetlenné válik figyelmen kívül hagyni ezeket. „Ahogy a fekete lyuk a Planck-skála felé zsugorodik, minden létező modellnek – beleértve a miénket is – végül szembe kell néznie az átmenettel a mély kvantumgravitációs rendszerbe” – jegyezi meg Pinčák. 

A Hawking-sugárzás a fekete lyukak eseményhorizontjánál fellépő jelenség   Fotó: Mark A. Gralic/Sheffield University

Ebben a rendszerben szükség lenne a kvantumgravitáció teljes elméletére, de ez az elmélet továbbra is hiányos még. Az új kutatás ezért nem is állítja azt, hogy teljesen megoldotta volna ezt a problémát. Ehelyett egy konkrét mechanizmust kínál annak a megmagyarázására, hogy miként alakulhat ki egy merőben új fizika a fekete lyuk párolgásának utolsó szakaszában. „Ami megkülönbözteti a mi megközelítésünket, az az, hogy nem állítjuk azt, hogy a félklasszikus párolgás egészen a maradék tömegig működik – magyarázza Richard Pinčák. – Ezen a ponton ugyanis egy új fizikai hatás veszi át az irányítást és stabilizálja a konfigurációt” – fűzi hozzá a kutató. Az elmélet közvetlen tesztelése rendkívül nehéz lesz, mert a releváns energiaskálák messze meghaladják a jelenlegi részecskegyorsítók lehetőségeit. 

Az univerzum számos furcsa jelenségét nem tudjuk még megmagyarázni   Fotó: Medium

A modell azonban olyan egyértelmű előrejelzéseket tesz, amelyek elvileg tesztelhetők is. 

Egy másik elvi lehetőség a fekete lyukak utolsó párolgási fázisának megfigyelése – különösen az ősi fekete lyukak esetében –, a jövő gamma-sugár-teleszkópjai vagy gravitációshullám-detektorai által, amelyek közvetett bizonyítékokat szolgáltathatnak e stabil maradványok létezésére. Ha beigazolódik az az elképzelés, hogy a fekete lyukak apró, információban gazdag maradványokat hagynak maguk után, mindez átalakíthatja a gravitációról, a kvantummechanikáról és az univerzum alapvető szerkezetéről alkotott ismereteinket is.

A tanulmány teljes terjedelmében és angol nyelven itt olvasható el.

A frissen publikált kutatás szerint:

• a fekete lyukak teljes elpárolgását jósló Hawking-sugárzás nem eredményezi a fekete lyukak teljes megsemmisülését,
• mivel a három tér és egy idődimenzión kívül létezik további három rejtett extradimenzió,
• amelyek a torzióval együtt olyan ellenhatású erőt generálnak,
• ami megakadályozza a fekete lyukak eltűnését és a beléjük zárt információk megsemmisülését.