„Bardzo, bardzo głupi model”, czyli po co badacze naelektryzowali czarne dziury i co z tego nie wynikło

W tym modelu szczególnie uwierają nas rzeczy, których nie możemy wyjaśnić albo, co gorsza, które są z natury nie do rozwikłania. Czymś takim jest osobliwość (singularity), czyli punkt we wnętrzu czarnych dziur, w którym prawa fizyki, jakie znamy, nie działają. Nie da się przewidzieć, co wydarzy się z materiałem, który się w niej znajdzie. Prawdziwy gordyjski węzeł współczesnej fizyki, w którym wszystko się plącze. Nic więc dziwnego, że fizycy od lat próbują znaleźć sposób na wyeliminowanie osobliwości z fizyki czarnych dziur.

O jednym z takich sposobów pisaliśmy w ubiegłym roku, gdy fizycy opisali czarną dziurę bez osobliwości w przestrzeni pięciowymiarowej. Teraz o innej fizycznej sztuczce możemy przeczytać w artykule w „Science”. Adrian Cho bierze pod lupę dwa artykuły, których autorzy postanowili naelektryzować teoretyczną czarną dziurę i zobaczyć, co się wydarzy.

Francesco Di Filippo z Institut für Theoretische Physik we Frankfurcie badając zachowanie czarnej dziury z polem elektrycznym zauważył, że bez użycia żadnej egzotycznej fizyki, jest w stanie wytworzyć teoretyczną czarną dziurę bez osobliwości, biorąc pod uwagę tzw. promieniowanie Hawkinga. To rewolucyjne odkrycie teoretyczne brytyjskiego fizyka w latach 70. XX w. tchnęło nową energię w wysiłki połączenia teorii względności z fizyką. Teraz Di Filippo pokazuje, że nie jest konieczne stworzenie całej teorii kwantowej grawitacji – wystarczy wykorzystać znane już kwantowe efekty, czyli promieniowanie Hawkinga w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury.

Przy użyciu zupełnie innych metod do podobnych wniosków dotarł również Samuel Grall z University of Arizona. „Opracowałem bardzo, bardzo głupi model, ale przynajmmniej jest to model z równaniami, które umiem rozwiązać” – mówi Samuel Grall w wypowiedzi do artykuły w „Science” autorstwa Adriana Cho.

I jest to szczerość, z którą umiem sympatyzować. W utartym dydaktycznym przysłowiu „jeżeli nie umiesz czegoś wytłumaczyć w prosty sposób, to tego tak naprawdę nie rozumiesz” kryje się głębsza prawda. Może warto spojrzeć na nią nieco inaczej: aby zrozumieć coś naprawdę, wytłumacz to w prosty sposób. Grall doszedł do wniosku, że w efekcie promieniowania Hawkinga i wytwarzanej w nim negatywnej energii, w obecności ładunku elektrycznego, materia opadająca na czarną dziurę nie stworzy osobliwości.

Obie prace są ekscytujące, jest jednak pewien szkopuł (tak, zawsze jest) – czarne dziury nie są w rzeczywistości elektrycznie naładowane. A więc sporo hałasu o nic? Niekoniecznie. Kluczowe w tym myślowym eksperymencie jest to, że czarne dziury mają dwa horyzonty zdarzeń (czyli czarna dziura jest jak cebula: cebula ma warstwy, czarne dziury mają warstwy). W rzeczywistości czarne dziury nie mają ładunku, ale za to mają moment pędu (czyli obracają się wokół własnej osi), a takie obiekty również powinny mieć dwa horyzonty zdarzeń.

Podsumowując, elektryczne i parujące czarne dziury nie muszą zawierać w sobie osobliwości. Jeśli podobne zasady stosują się do nich oraz do prawdziwych obracających się i parujących czarnych dziur, może uda się rozwiązać problematyczny, łamiący prawa fizyki punkt umieszczony tam przez teorię względności i jej konsekwencje.