Onze eerste glimpen van de fysica die zich in de buurt van het centrum van een zwart gat bevindt, worden mogelijk gemaakt met behulp van "luskwantumzwaartekracht" - een theorie die kwantummechanica gebruikt om de zwaartekrachtfysica uit te breiden tot voorbij de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Lus kwantumzwaartekracht, ontstaan ​​in Penn State en vervolgens ontwikkeld door een groot aantal wetenschappers wereldwijd, opent een nieuw paradigma in de moderne natuurkunde. De theorie is naar voren gekomen als een leidende kandidaat om extreme kosmologische en astrofysische verschijnselen in delen van het universum te analyseren, zoals zwarte gaten, waar de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie niet langer bruikbaar zijn.

Eerder werk in lus kwantumzwaartekracht dat zeer invloedrijk was in het veld, analyseerde de kwantumaard van de oerknal, en nu breiden twee nieuwe artikelen van Abhay Ashtekar en Javier Olmedo van Penn State en Parampreet Singh van Louisiana State University die resultaten uit naar interieurs van zwarte gaten. De papers verschijnen als "suggesties van de redactie" in de tijdschriften Fysieke beoordelingsbrieven en fysieke beoordeling op 10 december 2018 en werden ook benadrukt in een Viewpoint-artikel in het tijdschrift Natuurkunde .

"De beste zwaartekrachttheorie die we vandaag hebben is de algemene relativiteitstheorie, maar het heeft beperkingen, " zei Ashtekar, Evan Pugh hoogleraar natuurkunde, houder van de Eberly Family Chair in Physics, en directeur van het Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Bijvoorbeeld, de algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er plaatsen in het universum zijn waar de zwaartekracht oneindig wordt en de ruimte-tijd gewoon eindigt. We noemen deze plaatsen 'singulariteiten'. Maar zelfs Einstein was het ermee eens dat deze beperking van de algemene relativiteitstheorie het gevolg is van het feit dat het de kwantummechanica negeert."

In het centrum van een zwart gat is de zwaartekracht zo sterk dat, volgens de algemene relativiteitstheorie, ruimte-tijd wordt zo extreem gekromd dat de kromming uiteindelijk oneindig wordt. Dit resulteert in ruimte-tijd met een gekartelde rand, waarachter de fysica niet meer bestaat - de singulariteit. Een ander voorbeeld van een singulariteit is de oerknal. Vragen wat er vóór de oerknal gebeurde, is een zinloze vraag in de algemene relativiteitstheorie, omdat de ruimtetijd eindigt, en er is geen eerder. Maar door aanpassingen aan Einsteins vergelijkingen die de kwantummechanica incorporeerden via de kwantumzwaartekracht van de lus, konden onderzoekers de natuurkunde uitbreiden tot voorbij de oerknal en nieuwe voorspellingen doen. De twee recente artikelen hebben hetzelfde bereikt voor de singulariteit van het zwarte gat.

"De basis van luskwantumzwaartekracht is de ontdekking van Einstein dat de geometrie van ruimte-tijd niet alleen een podium is waarop kosmologische gebeurtenissen worden nagespeeld, maar het is zelf een fysieke entiteit die kan worden gebogen, "zei Ashtekar. "Als fysieke entiteit bestaat de geometrie van ruimte-tijd uit enkele fundamentele eenheden, net zoals materie uit atomen bestaat. Deze meeteenheden - 'kwantumexcitaties' genoemd - zijn orden van grootte kleiner dan we met de huidige technologie kunnen detecteren, maar we hebben nauwkeurige kwantumvergelijkingen die hun gedrag voorspellen, en een van de beste plaatsen om naar hun effecten te zoeken is in het centrum van een zwart gat." Volgens de algemene relativiteitstheorie, in het centrum van een zwart gat wordt de zwaartekracht oneindig, dus alles wat erin gaat, inclusief de informatie die nodig is voor fysieke berekeningen, Is verloren. Dit leidt tot de gevierde 'informatieparadox' waar theoretische fysici al meer dan 40 jaar mee worstelen. Echter, de kwantumcorrecties van de kwantumzwaartekracht van de lus zorgen voor een afstotende kracht die zelfs de sterkste aantrekkingskracht van de klassieke zwaartekracht kan overweldigen en daarom kan de natuurkunde blijven bestaan. Dit opent een weg om in detail aan te tonen dat er geen informatieverlies is in het centrum van een zwart gat, waar de onderzoekers nu mee bezig zijn.

interessant, ook al blijft de kwantumzwaartekracht van de lus werken waar de algemene relativiteitstheorie kapot gaat - singulariteiten van zwarte gaten, de oerknal - zijn voorspellingen komen vrij precies overeen met die van de algemene relativiteitstheorie onder minder extreme omstandigheden, weg van de singulariteit. "Het is hoogst niet-triviaal om beide te bereiken, " zei Singh, universitair hoofddocent natuurkunde aan de staat Louisiana. "Inderdaad, een aantal onderzoekers hebben de kwantumaard van de singulariteit van het zwarte gat in het afgelopen decennium onderzocht, maar ofwel de singulariteit overheerste, ofwel de mechanismen die het oplosten, ontketenden onnatuurlijke effecten. Ons nieuwe werk is vrij van al deze beperkingen."