חור שחור ביקום של חמישה ממדים יכול לערער את תורת היחסות הכללית

על פי סימולציה שפיתחו מדענים בקיימברידג' אם ביקום שלנו יש חמישה ממדים או יותר - כצפוי על פי תיאוריית המיתרים - תורת היחסות הכללית של איינשטיין איננה תקפה. במילים אחרות, לחורים שחורים בעלי חמישה ממדים תהיה כבידה כה חזקה, עד שחוקי הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותם יתמוטטו בסופו של דבר.

לראשונה אי פעם הצליחו פיזיקאים לדמות מה קורה לחורים שחורים בתוך יקום בן חמישה ממדים, ונראה שהדרך שבה אלו פועלים יכולה לערער את ההבנה שלנו כיצד עובד היקום. על פי סימולציה זו, אם ביקום שלנו יש חמישה ממדים או יותר - כצפוי על פי תיאוריית המיתרים - תורת היחסות הכללית של איינשטיין איננה תקפה. במילים אחרות, לחורים שחורים בעלי חמישה ממדים תהיה כבידה כה חזקה, עד שחוקי הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותם יתמוטטו בסופו של דבר.
מדענים מאוניברסיטת קיימברידג' ומאוניברסיטת קווין מרי בלונדון הראו כי ביקום בן חמישה ממדים חורים שחורים בנויים כמעין טבעות דקיקות ואינם "סתם חורים". ככל שהם גדלים נוצר בהם רצף של בליטות או תפיחות, המחוברות ביניהן באמצעות מיתרים שהולכים ונעשים דקים יותר ויותר עם הזמן. המיתרים הללו הופכים בסופו של דבר כל כך דקים עד כי הם "נצבטים" או נתלשים כסדרה של חורים שחורים זעירים, בדומה לאופן שבו זרם דק של מים מברז נשבר לטיפות. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת Physical Review Letters.

אפשרות קיומם של חורים שחורים שצורתם טבעת (הידועים גם בשם "טבעות שחורות") הועלתה על ידי פיזיקאים תיאורטיים כבר בשנת 2002, אך עד כה לא הצליחו לבנות סימולציה יעילה של הדינמיקה שלהם. כעת הצליחו לעשות זאת בעזרת מחשב-העל COSMOS באוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה - מחשב שיתוף הזיכרון הגדול ביותר באירופה, שיכול לבצע עד 38.6 טריליון חישובים בשנייה.
הקושי הגדול בהדמיית חורים שחורים בחמישה ממדים נעוץ בכך שמשערים שהם מהווים טבעות של אולטרה-כבידה (ultragravity), שבהן הכבידה החזקה כל כך מאיצה היווצרות של מצב שנקרא 'סינגולריות עירומה' - Naked Singularity. הייחודיות העירומה היא אירוע כה יוצא דופן, שאף אחד לא יכול לשער מה קורה בתוכה, למעט העניין הפשוט שחוקי היחסות הכללית לא יתקיימו בה עוד.

סינגולריות (או ייחודיות בעברית) היא נקודה שבה הכבידה עזה כל כך, עד שהמרחב, הזמן וחוקי הפיזיקה קורסים בה. תורת היחסות הכללית מנבאת שבמרכזם של חורים שחורים מתקיימת סינגולריות, וכי החורים השחורים מוקפים אופק אירועים - 'נקודת האל-חזור', שמעבר לה משיכת הכבידה חזקה כל כך עד שלא ניתן להימלט ממנה. המשמעות היא שאין כל אפשרות לצפות מבחוץ במה שמתרחש בתוך החור השחור.

https://www.youtube.com/watch?v=85bFiRKdOf8

אחד ממחברי המאמר, איש הפיזיקה התיאורטית מרקוס קונש מאוניברסיטת קיימברידג', אמר: "כל עוד הסינגולריות נשארת חבויה מאחורי אופק האירועים של החור השחור, היא אינה גורמת צרות ותורת היחסות הכללית נשמרת. על פי 'השערת הצנזורה הקוסמית' (Cosmic censorship hypothesis) – ככה זה תמיד, בכל מקרה. כל עוד השערת הצנזורה הקוסמית תקפה, נוכל לחזות בביטחון את העתיד מחוץ לחורים שחורים".

אבל מה אם הסינגולריות תתרחש ממש מחוץ לאופק האירועים?

פיזיקאים שיערו שבמצב של חמישה או יותר ממדים, אם אובייקט כלשהו מתכווץ לצפיפות אינסופית – כלומר לסינגולריות – אופק האירועים לא יגביל אותו, ותתקבל סינגולריות עירומה. במצב זה ההתרחשויות בתוך האובייקט וסביבו 'מוטרפות', ועלינו לחשב מחדש כיצד הפיזיקה פועלת.
מחברי המאמר אמרו: "אם מתקיימת סינגולריות עירומה - מתמוטטת תורת היחסות הכללית... במצב זה לא תהיה עוד כל יכולת ניבוי".
אם השערת הצנזורה הקוסמית אינה תקפה ביקום בעל ממדים גבוהים יותר, עלינו להבין מה ביקום הארבעה-ממדי שלנו גורם לכך שסינגולרית עירומה אינה יכולה להיווצר והיחסות הכללית נשמרת. אם תופרך השערת הצנזורה הקוסמית, נדרשת דרך חלופית להסביר את היקום. אפשרות אחת היא כבידה קוונטית, אשר משלבת בין תורת היחסות הכללית לבין תורת הקוונטים.

להודעה של החוקרים מאוניברסיטת קיימברידג'

המאמר:
Pau Figueras, Markus Kunesch, and Saran Tunyasuvunakool. End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture. Physical Review Letters, 2016