In de echte wereld, je verleden bepaalt op unieke wijze je toekomst. Als een natuurkundige weet hoe het heelal begint, ze kan zijn toekomst voor alle tijd en alle ruimte berekenen.

Maar een wiskundige van UC Berkeley heeft enkele soorten zwarte gaten gevonden waarin deze wet uiteenvalt. Als iemand zich in een van deze relatief goedaardige zwarte gaten zou wagen, ze zouden kunnen overleven, maar hun verleden zou worden uitgewist en ze zouden een oneindig aantal mogelijke toekomsten kunnen hebben.

Dergelijke beweringen zijn in het verleden gedaan, en natuurkundigen hebben een beroep gedaan op "sterke kosmische censuur" om het weg te verklaren. Dat is, iets catastrofaals - typisch een vreselijke dood - zou waarnemers ervan weerhouden om daadwerkelijk een gebied van ruimtetijd binnen te gaan waar hun toekomst niet uniek bepaald was. Dit principe, 40 jaar geleden voor het eerst voorgesteld door natuurkundige Roger Penrose, houdt een idee - determinisme - de sleutel tot elke natuurkundige theorie heilig. Dat is, gezien het verleden en heden, de natuurkundige wetten van het universum laten niet meer dan één mogelijke toekomst toe.

Maar, zegt UC Berkeley, postdoctoraal fellow Peter Hintz, wiskundige berekeningen laten zien dat voor sommige specifieke soorten zwarte gaten in een universum als het onze, die zich steeds sneller uitbreidt, het is mogelijk om de overgang van een deterministische wereld naar een niet-deterministisch zwart gat te overleven.

Hoe het leven eruit zou zien in een ruimte waar de toekomst onvoorspelbaar was, is onduidelijk. Maar de bevinding betekent niet dat Einsteins algemene relativiteitsvergelijkingen, die tot dusver perfect de evolutie van de kosmos beschrijven, zijn fout, zei Hintz, een Clay Research Fellow.

"Geen enkele fysicus gaat een zwart gat in om het te meten. Dit is een wiskundige vraag. Maar vanuit dat oogpunt, dit maakt de vergelijkingen van Einstein wiskundig interessanter, " zei hij. "Dit is een vraag die je eigenlijk alleen wiskundig kan bestuderen, maar het heeft fysieke, bijna filosofische implicaties, wat het heel gaaf maakt."

"Deze ... conclusie komt overeen met een ernstig falen van het determinisme in de algemene relativiteitstheorie, dat niet lichtvaardig kan worden opgevat met het oog op het belang in de moderne kosmologie" van versnellende expansie, zeiden zijn collega's aan de Universiteit van Lissabon in Portugal, Vitor Cardoso, João Costa en Kyriakos Destounis, en aan de Universiteit Utrecht, Aron Jansen.

Zoals geciteerd door Natuurkunde Wereld , Gary Horowitz van UC Santa Barbara, die niet bij het onderzoek betrokken was, zei dat de studie "het beste bewijs levert dat ik ken voor een schending van sterke kosmische censuur in een theorie van zwaartekracht en elektromagnetisme."

Hintz en zijn collega's publiceerden vorige maand een paper waarin deze ongewone zwarte gaten werden beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Voorbij de evenementenhorizon

Zwarte gaten zijn bizarre objecten die hun naam ontlenen aan het feit dat niets aan hun zwaartekracht kan ontsnappen, niet eens licht. Als u zich te dichtbij waagt en de zogenaamde gebeurtenishorizon overschrijdt, je zult nooit ontsnappen.

Voor kleine zwarte gaten, zo'n nauwe benadering zou je sowieso nooit overleven. De getijdekrachten dicht bij de waarnemingshorizon zijn genoeg om alles te spaghettifiëren:dat wil zeggen, rek het uit tot het een reeks atomen is.

Maar voor grote zwarte gaten, zoals de superzware objecten in de kernen van sterrenstelsels zoals de Melkweg, die tientallen miljoenen, zo niet miljarden keren de massa van een ster wegen, het overschrijden van de gebeurtenishorizon zou zijn, goed, rustig.

Omdat het mogelijk moet zijn om de overgang van onze wereld naar de wereld van het zwarte gat te overleven, natuurkundigen en wiskundigen hebben zich lang afgevraagd hoe die wereld eruit zou zien, en hebben zich tot Einsteins algemene relativiteitsvergelijkingen gewend om de wereld in een zwart gat te voorspellen. Deze vergelijkingen werken goed totdat een waarnemer het centrum of de singulariteit bereikt, waar in theoretische berekeningen de kromming van de ruimtetijd oneindig wordt.

Nog voordat we het centrum bereiken, echter, een ontdekkingsreiziger van een zwart gat - die nooit in staat zou zijn om aan de buitenwereld te communiceren wat ze vond - zou een aantal vreemde en dodelijke mijlpalen kunnen tegenkomen. Hintz bestudeert een specifiek type zwart gat – een standaard, niet-roterend zwart gat met een elektrische lading - en zo'n object heeft een zogenaamde Cauchy-horizon binnen de waarnemingshorizon.

De Cauchy-horizon is de plek waar het determinisme afbrokkelt, waar het verleden niet langer de toekomst bepaalt. natuurkundigen, inclusief Penrose, hebben betoogd dat geen enkele waarnemer ooit door het Cauchy-horizonpunt zou kunnen gaan omdat ze zouden worden vernietigd.

Zoals het argument gaat, als een waarnemer de horizon nadert, de tijd vertraagt, omdat klokken langzamer tikken in een sterk zwaartekrachtveld. Een lichte, zwaartekrachtsgolven en al het andere dat het zwarte gat tegenkomt, valt onvermijdelijk naar de Cauchy-horizon, een waarnemer die ook naar binnen valt, zou uiteindelijk al deze energie tegelijkertijd naar binnen zien stromen. In werkelijkheid, alle energie die het zwarte gat gedurende de levensduur van het universum ziet, raakt tegelijkertijd de Cauchy-horizon, elke waarnemer die zo ver komt in de vergetelheid schiet.

Je kunt niet eeuwig kijken in een uitdijend heelal

Hintz realiseerde zich, echter, dat dit misschien niet van toepassing is in een uitdijend heelal dat versnelt, zoals die van ons. Omdat ruimtetijd steeds meer uit elkaar wordt getrokken, een groot deel van het verre heelal zal het zwarte gat helemaal niet beïnvloeden, omdat die energie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid.

In feite, de energie die beschikbaar is om in het zwarte gat te vallen, is alleen de energie die zich binnen de waarneembare horizon bevindt:het volume van het universum dat het zwarte gat in de loop van zijn bestaan ​​kan verwachten. Voor ons, bijvoorbeeld, de waarneembare horizon groter is dan de 13,8 miljard lichtjaar die we in het verleden kunnen zien, omdat het alles omvat wat we voor altijd in de toekomst zullen zien. Door de steeds snellere uitdijing van het heelal kunnen we niet verder kijken dan een horizon van ongeveer 46,5 miljard lichtjaar.

In dat scenario, de uitdijing van het heelal gaat de versterking tegen die wordt veroorzaakt door tijddilatatie in het zwarte gat, en voor bepaalde situaties annuleert het volledig. In die gevallen – met name zacht, niet-roterende zwarte gaten met een grote elektrische lading, zogenaamde Reissner-Nordström-de Sitter zwarte gaten - een waarnemer zou kunnen overleven als hij door de Cauchy-horizon gaat en in een niet-deterministische wereld komt.

"Er zijn enkele exacte oplossingen van de vergelijkingen van Einstein die perfect glad zijn, zonder knikken, geen getijdenkrachten tot in het oneindige, waar alles zich perfect gedraagt ​​tot aan deze Cauchy-horizon en daarbuiten, " hij zei, opmerkend dat de passage door de horizon pijnlijk maar kort zou zijn. "Daarna, alle weddenschappen zijn uitgeschakeld; in sommige gevallen, zoals een Reissner-Nordström-de Sitter zwart gat, men kan de centrale singulariteit helemaal vermijden en voor altijd leven in een onbekend universum."

toegegeven, hij zei, Het is onwaarschijnlijk dat geladen zwarte gaten bestaan, omdat ze tegengesteld geladen materie zouden aantrekken totdat ze neutraal werden. Echter, de wiskundige oplossingen voor geladen zwarte gaten worden gebruikt als proxies voor wat er zou gebeuren in roterende zwarte gaten, die waarschijnlijk de norm zijn. Hintz stelt dat soepel, roterende zwarte gaten, genaamd Kerr-Newman-de Sitter zwarte gaten, zou zich op dezelfde manier gedragen.

"Dat is vervelend, het idee dat je zou kunnen vertrekken met een elektrisch geladen ster die instort tot een zwart gat, en dan reist Alice door dit zwarte gat en als de parameters van het zwarte gat voldoende extreem zijn, het kan zijn dat ze net de Cauchy-horizon kan oversteken, overleeft dat en bereikt een gebied van het universum waar de volledige begintoestand van de ster, ze zal niet kunnen zeggen wat er gaat gebeuren, "Zei Hintz. "Het wordt niet langer uniek bepaald door volledige kennis van de beginvoorwaarden. Daarom is het erg lastig."

Hij ontdekte dit soort zwarte gaten door samen te werken met Cardoso en zijn collega's, die berekende hoe een zwart gat rinkelt als het wordt geraakt door zwaartekrachtsgolven, en welke van zijn tonen en boventonen het langst duurde. In sommige gevallen, zelfs de langst bestaande frequentie nam snel genoeg af om te voorkomen dat de versterking de Cauchy-horizon in een dode zone zou veranderen.

Hintz' paper heeft al geleid tot andere papers, een van die beweert aan te tonen dat de meeste goed opgevoede zwarte gaten het determinisme niet zullen schenden. Maar Hintz houdt vol dat elke overtreding er één te veel is.

"Mensen waren al zo'n 20 jaar zelfgenoegzaam, sinds het midden van de jaren '90, dat sterke kosmologische censuur altijd wordt geverifieerd, " zei hij. "We dagen dat standpunt uit."