Hét dimenzió

Lehet, hogy hétdimenziós a világegyetem, csak nem tudunk róla

A világhírű brit elméleti fizikus, Stephen Hawking 1974-ben publikált és szakmai körökben rendkívül nagy visszhangot kiváltott teóriája szerint a fekete lyukak az idő múlásával tökéletesen elpárolognak, csakhogy ez a hipotézis alapvetően ellentmond a kvantummechanika törvényeinek. Egy frissen publikált kutatás viszont arra az eredményre jutott, hogy a Hawking-paradoxon igaz lehet, feltéve, hogy az univerzum hétdimenziós. Az univerzum legrejtélyesebb objektumai, a fekete lyukak viselkedésének leírása az egyik legnagyobb kihívás az asztrofizikusok számára. Az egyik ilyen jelenség, a Hawking-sugárzás, illetve a fekete lyukak párolgásának a paradoxona mindannak ellentmond, amit a kvantummechanika megenged. Egy új elméleti tanulmány arra a konklúzióra jutott, hogy a fekete lyukak soha nem párologhatnak el teljesen, ami ellentmond Stephen Hawking a fekete lyukak párolgására vonatkozó elhíresült elméletének, amely látszólag sérti a kvantummechanika alapvető törvényeit. A tanulmányt jegyző tudóscsoport szerint Hawking feltevése nem teljesen pontos, mivel a fekete lyukak olyan apró és stabil maradványokat hagyhatnak maguk után, amelyekben az összes korábbi információ megőrződik. A Hawking-sugárzás egy elméletileg megjósolt, de kísérleti eredménnyel vagy megfigyeléssel még nem igazolt feketetest-sugárzás, ami a fekete lyukak eseményhorizontjának környezetében keletkezik kvantummechanikai jelenségek miatt. A Hawking-sugárzás következményeként a fekete lyukak energiája és tömege is folyamatosan csökken; ezt a jelenséget nevezik a fekete lyukak párolgásának. Ahhoz viszont, hogy az elmélet működjön, a világegyetemnek további három olyan rejtett dimenzióval kell rendelkeznie, amit nem tudunk érzékelni, vagyis a téridő nem négy-, hanem hétdimenziós – állítják a tanulmány szerzői. Ahogy ezek a rejtett dimenziók felgyűrődnek, illetve elcsavarodnak, olyan antigravitációs taszítóerőt hoznak létre ami megakadályozza a fekete lyukak teljes elpárolgását. A munka – bár közvetlenül nehezen tesztelhető – a fekete lyukakat az extradimenziók geometriájához köti, új megközelítést kínálva a fizika egyik legmélyebb rejtélyének. A fekete lyukakat korábban olyan extrém kozmikus gravitációs csapdáknak tekintették, amelyekben bezáródik a téridő, és ahonnan így semmi, semmilyen információ sem szabadulhat ki. A híres brit fizikus, Stephen Hawking ezzel szemben az 1974-ben közzétett tanulmányában arra a következtetésre jutott, hogy a fekete lyukak az eseményhorizontjuk környékén olyan sugárzást bocsátanak ki, ami idővel felemészti, elpárologtatja őket, ez viszont egy nyugtalanító ellentmondáshoz, az úgynevezett információvesztési paradoxonhoz vezetett. „Képzeljük el, hogy tűzbe dobunk egy könyvet” – mondja Richard Pinčák, a tanulmány társszerzője és a Szlovák Tudományos Akadémia Kísérleti Fizikai Intézetének vezető kutatója, akit a Live Science tudományos hírportál idéz „A könyv ugyan megsemmisült, de elvileg minden szót rekonstruálni lehet a füstből, a hamuból és a hőből – tehát az információ összekeveredik, de nem vész el” – szemlélteti az információmegmaradás törvényét a kutató. De amikor egy fekete lyuk teljesen elpárolog, úgy tűnik, hogy minden információ, ami beleesett, eltűnik, megsértve ezzel a kvantummechanika egyik alapelvét. A fizikusok évtizedek óta küzdenek ennek a paradoxonnak a feloldásával. A General Relativity and Gravitation szakfolyóiratban március 19-én megjelent új tanulmány azt sugallja, hogy a válasz magában a téridő rejtett szerkezetében rejlik. Az új kutatás egy olyan univerzum modellből indul ki, amelyben a világegyetem nem négy, hanem hét dimenzióval rendelkezik. Az einsteini univerzum négy dimenzióján felüli további három dimenzió kompakt és a hétköznapi érzékelési rendszerben láthatatlan. „A világegyetemben három térdimenziót és egy idődimenziót tapasztalunk, összesen tehát négy dimenziót – mondja Richard Pinčák. – Modellünk szerint a világegyetemnek valójában hét dimenziója van: a négy, amit ismerünk, plusz három apró extra dimenzió, amelyek olyan szorosan összegömbölyödnek, hogy közvetlenül nem tudjuk érzékelni őket” – teszi hozzá a tanulmány társszerzője. Ezek az extra dimenziók egy erősen szimmetrikus struktúrában helyezkednek el, amelyet G₂ geometriának neveznek. Ez a matematikai keretrendszer, amelyet gyakran vizsgálnak olyan fejlett elméletekben, mint például a húrelmélet M-elméletként ismert változata, meghatározza, hogyan válhatnak „hajtogatottá” a rejtett dimenziók. „Ezt úgy képzeljük el, mint az origamit – mondja Pinčák. – A papír hajtogatásának módja határozza meg, hogy mit tud tenni a végső forma” – fűzi hozzá a kutató. Az új modellben ez a geometriai szerkezet egy torziónak nevezett fizikai hatást hoz létre, amely a téridő csavarodásaként fogható fel. Ez a torziós mező pedig kulcsfontosságú szerepet játszik a fekete lyukak fizikájában. A tanulmány kimutatta, hogy a torziós erő egy olyan taszítóerőt generál, amely rendkívül kisléptékben, a fekete lyuk életének vége felé válik igazán fontossá. Ahogy a fekete lyuk a Hawking-sugárzás hatására összezsugorodik, ez az erő ellensúlyozza végül a további összeomlást. „Ez a taszítóerő fékként működik, megállítva a párolgást, még mielőtt a fekete lyuk teljesen eltűnne” – magyarázza Richard Pinčák, a Szlovák Tudományos Akadémia Kísérleti Fizikai Intézetének vezető kutatója. A tanulmány szerzői által elvégzett modellszámítások szerint a fekete lyuk ahelyett, hogy eltűnne, egy felfoghatatlanul apró maradványként stabilizálódik. Ennek a megmaradt objektumnak a tömege körülbelül 9 × 10⁻⁴¹ kilogramm – ez körülbelül 10 milliárdszor kisebb, mint egy elektron tömege. Döntő fontosságú, hogy ez a rendkívül apró maradvány képes tárolni a fekete lyukba hullott valamennyi információt, elkerülve a kvantummechanika bármilyen megsértését. Az információ finom oszcillációkban, kvázinormális módusokban kódolódik, amelyek az elveszett adatok hordozóiként működnek. A modell egy további váratlan részecskefizikai kapcsolatot is feltár: a három rejtett dimenzió létezése a torzió jelenlétével együtt hozza létre a Higgs-mechanizmusért felelős részecske-kölcsönhatások mintázatát, vagyis azt a jelenséget, ami tömeget ad az elemi részecskéknek, például az elektronoknak és a kvarkoknak. „Ugyanez a torziós mező egy olyan potenciális energia-tájképet generál, amelynek azzal egyezik a formája ami a W és Z bozonok – a gyenge magerő hordozói – tömegéért felelős” – magyarázza Richard Pinčák. Ez a kapcsolat a fekete lyukak viselkedését az elektrogyenge skálához köti, ami a részecskefizikában egy jól ismert energiaskála. A modellnek azonban komoly kihívásokkal is szembe kell néznie. A fekete lyukak párolgásáról szóló standard leírás egy félklasszikus megközelítésen alapul, ami viszont a várhatóan rendkívül kis, a Planck-tömeghez közeli skálákon – körülbelül 10⁻⁶ grammon – már nem működik. Ez az a tömegskála, amelyen a kvantumgravitációs hatások felerősödnek, éppen ezért lehetetlenné válik figyelmen kívül hagyni ezeket. „Ahogy a fekete lyuk a Planck-skála felé zsugorodik, minden létező modellnek – beleértve a miénket is – végül szembe kell néznie az átmenettel a mély kvantumgravitációs rendszerbe” – jegyezi meg Pinčák. Ebben a rendszerben szükség lenne a kvantumgravitáció teljes elméletére, de ez az elmélet továbbra is hiányos még. Az új kutatás ezért nem is állítja azt, hogy teljesen megoldotta volna ezt a problémát. Ehelyett egy konkrét mechanizmust kínál annak a megmagyarázására, hogy miként alakulhat ki egy merőben új fizika a fekete lyuk párolgásának utolsó szakaszában. „Ami megkülönbözteti a mi megközelítésünket, az az, hogy nem állítjuk azt, hogy a félklasszikus párolgás egészen a maradék tömegig működik – magyarázza Richard Pinčák. – Ezen a ponton ugyanis egy új fizikai hatás veszi át az irányítást és stabilizálja a konfigurációt” – fűzi hozzá a kutató. Az elmélet közvetlen tesztelése rendkívül nehéz lesz, mert a releváns energiaskálák messze meghaladják a jelenlegi részecskegyorsítók lehetőségeit. A modell azonban olyan egyértelmű előrejelzéseket tesz, amelyek elvileg tesztelhetők is. Egy másik elvi lehetőség a fekete lyukak utolsó párolgási fázisának megfigyelése – különösen az ősi fekete lyukak esetében –, a jövő gamma-sugár-teleszkópjai vagy gravitációshullám-detektorai által, amelyek közvetett bizonyítékokat szolgáltathatnak e stabil maradványok létezésére. Ha beigazolódik az az elképzelés, hogy a fekete lyukak apró, információban gazdag maradványokat hagynak maguk után, mindez átalakíthatja a gravitációról, a kvantummechanikáról és az univerzum alapvető szerkezetéről alkotott ismereteinket is.

forrás: magyarnemzet.hu