Science Report Cercetătorii au confirmat faimoasa teorie a lui Stephen Hawking despre găurile negre

Una dintre cele mai faimoase teoreme ale fizicianului Stephen Hawking a fost demonstrată cu ajutorul undelor gravitaționale provocate de unirea a două găuri negre îndepărtate, relatează Live Science.

Teorema găurilor negre, pe care Hawking a formulat-o în 1971 pornind de la teoria relativității generale a lui Albert Einstein, afirmă că este imposibil ca suprafața unei găuri negre să se micșoreze de-a lungul timpului.

Această regulă reprezintă interes pentru fizicieni deoarece este strâns apropiată de o altă regulă legată de scurgerea timpului într-o singură direcție: a doua lege a termodinamicii care afirmă că entropia, sau dezordinea, unui sistem închis trebuie să crească mereu.

Întrucât entropia unei găuri negre este proporțională cu suprafața acesteia, ambele trebuie să crească mereu.

Potrivit noului studiu, confirmarea de către cercetători a legii privind suprafața pare să sugereze că proprietățile găurilor negre oferă indicii importante cu privire la legile ascunse care guvernează universul.

FOTO: Ramond Andrada 3Dciencia / Sciencephoto / Profimedia Images

„Paralelă interesantă”

În mod bizar, legea privind suprafața pare să contrazică o altă teoremă faimoasă a lui Hawking care a fost dovedită: că găurile negre se evaporă de-a lungul unor perioade imense de timp. Elucidarea motivului acestei contradicții ar putea dezvălui noi legi ale fizicii.

„Suprafața unei găuri negre nu poate fi redusă, care este ca al doilea principiu al termodinamicii. Ea are de asemenea o conservare a masei întrucât nu o poți reduce, așadar asta este analogic conservării energiei”, afirmă Maximiliano Isi, astrofizician la Massachusetts Institute of Technology (MIT) și autor principal al studiului.

„Inițial oamenii se gândeau ‘Wow, asta este o paralelă interesantă’ dar ne-am dat seama rapid că este ceva fundamental. Găurile negre au entropie și aceasta este proporțională cu suprafața lor. Nu este doar o coincidență inedită, este un fapt important despre lumea pe care ele o dezvăluie”, relatează acesta.

Suprafața unei găuri negre este delimitată de granița sa sferică numită orizontul de evenimente – punctul de la care nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa atracției sale gravitaționale puternice.

Potrivit interpretării lui Hawking a teoriei relativității generale, suprafața unei găuri negre crește odată cu masa acesteia și fiindcă niciun obiect capturat de gaura neagră nu poate ieși din ea, suprafața sa nu se poate micșora.

Însă suprafața unei găuri negre scade cu cât aceasta se rotește mai mult, făcându-i pe cercetători să se întrebe dacă aruncarea unui obiect înăuntrul acesteia suficient de puternic pentru a face gaura neagră să se rotească suficient pentru a-i mișcora suprafața.

„O vei face să se rotească mai mult, dar nu suficient pentru a contrabalansa masa pe care tocmai ai adăugat-o”, afirmă Isi. „Orice ai face, masa și rotația vor face ca suprafața pe care o obții să fie mai mare”.

Unde gravitaționale

Pentru a testa această teorie cercetătorii au analizat unde gravitaționale, sau fluctuații în curbura timp-spațiu, create în urmă cu 1,3 miliarde de ani de către două găuri negre gigantice pe măsură ce se apropiau una de cealaltă cu o viteză foarte mare.

Acestea au fost primele unde gravitaționale detectate vreodată în 2015 de către Observatorul interferometru laser de unde gravitaționale (LIGO), o rază laser cu o lungime de 3.000 de kilometri capabilă să depisteze cele mai subtile distorsiuni din curbura timp-spațiu.

Prin împărțirea semnalului în două jumătăți – înainte și după unirea celor două găuri negre, cercetătorii au calculat masa și rotația ambelor găuri negre originale și a cele noi rezultate din unirea lor. Aceste date le-au permis apoi să calculeze suprafața fiecărei găuri negre înainte și după coliziune.

„Pe măsură ce se rotesc tot mai rapid una în jurul celeilalte, undele gravitaționale cresc în amploare tot mai mult până când în cele din urmă se izbesc între ele – provocând această rafală mare de valuri”, afirmă Isi.

„Ceea ce rămâne este această nouă gaură neagră într-o stare excitată pe care o poți studia prin analizarea modului în care vibrează. Este ca și când lovești un clopot, sunetele specifice și duratele lor îți vor spune structura acelui clopot și din ce este făcut”, explică acesta.

Suprafața găurii negre nou create a fost mai mare decât a celor două inițiale, confirmând legea lui Hawking cu un grad de încredere de peste 95%.

Cercetătorii afirmă că rezultatele la care au ajuns sunt în linii mari cele la care se așteptau, teoria relativității generale – de unde a provenit legea – facând o treabă bună în explicarea găurilor negre și a altor obiecte masive.

Relativitate generală versus mecanică cuantică

Însă adevăratul mister începe când încercăm să integrăm relativitatea generală – regulile care guvernează obiectele mari – cu mecanica cuantică – regulile în funcție de care se comportă cele foarte mici.

Lucruri bizare încep să se întâmple, aruncând în haos toate regulile noastre acceptate și încălcând complet legea privind suprafața.

Acest lucru se întâmplă din cauză că găurile negre nu se pot micșora potrivit relativității generale însă o pot face conform mecanicii cuantice.

Hawking a elaborat un conceput cunoscut drept radiația Hawking, fenomen în care particule sunt emise la marginea găurilor negre prin efecte cuantice stranii.

Fenomenul duce la micșorarea găurilor negre și, de-a lungul unei perioade de câteva ori mai mare decât vârsta actuală a universului, la evaporarea lor.

Această evaporare ar putea avea loc în perioade de timp suficient de mari încât să nu încalce legea privind suprafața găurilor negre pe termen scurt, însă acest lucru este o palidă consolare pentru fizicieni.

„Statistic, de-a lungul unei perioade de timp foarte îndelungate, această lege este încălcată”, afirmă Isi.

„Este ca și când fierbi apă, obții aburi care se evaporă în tigaia ta dar dacă te limitezi să privești doar apa care dispare din interiorul său ai putea fi tentat să spui că entropia tigăii scade. Însă dacă ții cont și de aburi, entropia generală pe care o ai a crescut. Același lucru se întâmplă și cu găurile negre și radiația Hawking”, explică acesta.

Cercetătorii urmează să studieze în continuare datele obținute de la mai multe unde gravitaționale pentru a încerca să obțină mai multe informații legate de găurile negre.

„Sunt obsedat de aceste obiecte din cauza paradoxurilor lor. Sunt extrem de misterioase și greu de înțeles dar în același timp știm că sunt cele mai simple obiecte care există”, afirmă Isi.

Studiul cercetătorilor de la MIT a fost publicat pe 26 mai în revista Physical Review Letters.

Citește și: