Czy białe dziury tworzą wszechświaty

Czarne dziury są obiektami grawitacyjnymi o tak wielkiej masie i gęstości, że nawet światło nie jest w stanie z nich uciec. Nazwa „czarna dziura" wynika stąd, że taki obiekt nie odbija niczego, tak jak ciało doskonale czarne pochłaniające padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne.

Istnienie takich obiektów przewidywali już dwaj osiemnastowieczni naukowcy: angielski matematyk John Michell i francuski fizyk Pierre Simon de Laplace. Pierwszy w liście z 1784 r. do fizyka Henry'ego Cavendisha rozważał wpływ grawitacji na światło i przewidział istnienie czarnych dziur.

Ale to dopiero na podstawie równania pola ogólnej teorii względności Einsteina, często nazywanego także równaniem pola grawitacyjnego, niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył w 1916 r. istnienie tzw. osobliwości, czyli bardzo kłopotliwego dla nauki obszaru, w którym teoretyczne prawa fizyki przestają działać ze względu na nieskończone wyniki. Dwaj brytyjscy fizycy: Stephen Hawking i Roger Penrose, obliczyli, że w czarnej dziurze krzywizna czasoprzestrzeni, podobnie jak oddziaływania grawitacyjne stają się nieskończone.

Prof. Stephen Hawking zakładał także, że czarne dziury niszczą wszelkie informacje o obiektach do nich wpadających. Takie założenie stało w sprzeczności z podstawową zasadą fizyki kwantowej, że informacja o stanie każdego obiektu we wszechświecie jest zapisana pod postacią tzw. funkcji falowej, a ta nigdy nie może zginąć. Ten informacyjny paradoks rozwiązał częściowo w 2014 r. sam Hawking oświadczając, że jednak w tej kwestii się mylił.  Informacja nie zostaje zniszczona, lecz jest „pochłonięta" przez czarną dziurę i znajduje się w jej wnętrzu.

Magazyn informacji

Czarne dziury nie muszą więc być niszczycielami informacji o stanie fizycznym obiektów, jak uważano do niedawna, ale co najwyżej ich depozytariuszami.

Istnieje także inny aspekt twórczy związany z istnieniem czarnej dziury. Od lat trwał spór fizyków o to, czy czarne dziury nieodwracalnie niszczą to, co do nich wpadnie.

Zgodnie z ogólną teorią względności umierająca gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Wszystko, co przedostanie się przez horyzont zdarzeń – sferę otaczającą czarną dziurę, która oddziela obserwatora od zdarzeń – przepada w osobliwości. Z punktu widzenia fizyki klasycznej proces ten jest nieodwracalny. Stąd czeluść, z której nie ma powrotu, nazywamy czarną dziurą.

Takie założenie stoi jednak w sprzeczności z fizyką kwantową, która zakłada, że cała materia charakteryzuje się dualizmem korpuskularno-falowym, a więc w zależności od sytuacji obiekty kwantowe (np. fotony czy elektrony) mają własności fali lub stałego obiektu. W 1974 roku Stephen Hawking dowiódł, że czarne dziury mogą promieniować. Poprzez proces wypromieniowywania zaczynają się zmniejszać, aż do momentu, kiedy całkowicie znikną. Oznacza to, że także wszelka informacja o tym, co do czarnej dziury wpadło, ostatecznie i nieodwracalnie przepada.

Jednak Hawking, nękany własnym odkryciem, rozpoczął razem z Andrew Stromingerem z Uniwersytetu Harvarda i Malcolmem Perrym z Uniwersytetu Cambridge intensywne badania nad tym procesem. Łącząc założenia fizyki klasycznej z mechaniką kwantową, naukowcy doszli do wniosku, że każdy obiekt wpadający do czarnej dziury musi jednak pozostawiać po sobie ślad w postaci hologramu na wewnętrznej powierzchni horyzontu zdarzeń.

Proces ten powstaje w wyniku modyfikacji wzoru światła uwięzionego na granicy horyzontu zdarzeń. Innymi słowy, światło nie może uciec z czarnej dziury, ponieważ jest zbyt wolne. Utrzymuje się na samej krawędzi horyzontu zdarzeń i przesuwa przez wpadające do dziury obiekty.

Kiedy czarna dziura paruje i nieustannie się zmniejsza, hologram pokonuje powoli barierę grawitacyjną i wydostaje się na zewnątrz, przekazując zachowaną informację zewnętrznemu obserwatorowi.

Dlatego w 2014 r. prof. Hawking ogłosił, że ,,żadnych czarnych dziur nie ma". Materia i energia jest więziona tylko na granicy pozornego „horyzontu", ale w końcu jest wypuszczona, choć w zniekształconej formie, gdy zmniejszy się do pewnej wielkości, w której połączą się skutki działania zarówno grawitacji, jak i mechaniki kwantowej.

Taka koncepcja burzy nasze dotychczasowe spojrzenie na czarną dziurę jako osobliwość. Hawking uważa, że jej zwyczajnie nie ma. Obiekt, który wpada do czarnej dziury, powoli zmierza do jej środka, ale nigdy go nie osiąga. Informacja o tym obiekcie zostanie kiedyś odzyskana, choć – jak twierdzi Malcolm Perry – „byłoby to gorsze niż próba zrekonstruowania książki spalonej na popiół".

Białe dziury powstają w ciągu milisekund

Jeszcze inny model funkcjonowania czarnej dziury opracowali niedawno dwaj naukowcy Uniwersytetu Aix-Marseille we Francji. Według Carlo Rovellego i Hala Haggarda grawitacja i czasoprzestrzeń wewnątrz czarnej dziury ulegają kwantyzacji. Model ten opiera się na pętlowej grawitacji kwantowej łączącej pozornie niekompatybilne teorie ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Francuscy naukowcy uważają, że na skutek tego procesu umierająca gwiazda znajdująca się już za horyzontem zdarzeń nieustannie kurczy się wewnątrz czarnej dziury aż do momentu, kiedy zostanie maksymalnie skompresowana. Proces ten trwa zaledwie kilka milisekund. W czasie jego trwania czarna dziura ulega transformacji w białą dziurę. Obserwator zewnętrzny postrzega ten proces przez miliardy lat, ponieważ grawitacja czarnej dziury rozciąga fale świetlne i dokonuje dylatacji, a więc rozszerzenia się czasu.

Według tej hipotezy biała dziura staje się obszarem wyrzucającym energię i materię wypływającą z osobliwości. Początkowo z białymi dziurami kojarzono kwazary – gigantyczne obiekty gwiazdopodobne emitujące ciągłe promieniowanie elektromagnetyczne, które charakteryzuje ogromna jasność zbliżona do jasności całej galaktyki.