חורים שחורים ידועים כגופים שמימיים בעלי תכונות מוזרות רבות, כגון התכונה ששום דבר, אפילו לא אור, לא מצליח לברוח מהם. תכונה פחות נודעת, אך לא פחות מוזרה, היא שנראה כי חורים שחורים "יודעים" מראש מה אמור לקרות בעתיד. כך עולה מחקר שפורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters.
[תרגום מאת ד"ר נחמני]
חורים שחורים ידועים כגופים שמימיים בעלי תכונות מוזרות רבות, כגון התכונה ששום דבר, אפילו לא אור, לא מצליח לברוח מהם. תכונה פחות נודעת, אך לא פחות מוזרה, היא שנראה כי חורים שחורים "יודעים" מראש מה אמור לקרות בעתיד.
במאמר שפורסם ב-2015 בכתב-העת המדעי Physical Review Letters, החוקר Raphael Bousso, פרופסור מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, ועמיתיו, פרסמו חוק חדש במסגרת תורת היחסות הכללית המבוסס על ההתייחסות לחורים שחורים בתור עצמים גיאומטריים קעורים בשם 'מסכים הולוגרפיים'. "ההגדרה של אופק האירועים בכל הקשור לחורים שחורים הינה מושג מלאכותי שבו משתמשים הפיזיקאים: אופק האירועים מוגדר ביחס למשך זמן עתידי אינסופי, כך שבהגדרתו חור שחור 'יודע' מהו עתידו המלא של היקום", מסביר החוקר הראשי. "בתורת היחסות הכללית, אופק האירועים של חור שחור לא ניתן לצפייה על ידי צופה בזמן נתון, ולכן אין כל היגיון ברעיון שהחור השחור יידע מהו העתיד. זו פשוט צורה נוחה לתיאור חורים שחורים".
החוקר מסביר כי מסכים הולוגרפיים מעניינים כל כך בגלל שהם מוגדרים בצורה שתלויה בתכונות מקומיות יותר ואינם נדרשים לכל מידע באשר לעתיד האינסופי. במאמר שלהם, החוקרים מדווחים על חוק חדש הקובע באיזה כיוון שטחו של המסך ההולוגרפי מתגבר, כיוון התלוי בהגדרתו בתור "מסך הולוגרפי בעתיד" או "מסך הולוגרפי בעבר". כפי שמסבירים החוקרים, שני סוגי מסכים אלו מגדירים שני סוגים של שדות כבידה. "מסכים הולוגרפיים מהווים גבול מקומי לאזורים של שדות כבידה עוצמתיים", מסביר החוקר הראשי. "מסכים הולוגרפיים בעתיד מתייחסים לשדות כבידה המושכים לעברם חומר (למשל, חור שחור, ההתכווצות הגדולה), בעוד שמסכים הולוגרפיים בעבר מתייחסים לאזורים שבהם החומר נפוץ לכל עבר (למשל, אירוע המפץ הגדול, חור לבן)".
חוק השטחים החדש וכיוון הזמן התרמודינמי
חוק השטחים החדש קובע כי השטח של מסך הולוגרפי בעתיד יגדל תמיד בכיוון אחד, בעוד שהשטח של מסך הולוגרפי בעבר יגדל תמיד בכיוון שני (אחר). לחוק יש מספר השלכות מרתקות בכל הקשור לתחום של תרמודינמיקה ולרעיון כי חלל-זמן הוא בעצם הולוגרמה. בהתאם לעקרון ההולוגרפי, כמות המידע או האנטרופיה בשטח נתון קשורה לשטח הפנים שלו. כך שאם מתייחסים לשטח בתור גבול האנטרופיה, חוק השטח יכול לחשוף את הכיוון של הזמן התרמודינמי (שהוא, כפי שמעירים המדענים, אינו זהה לזמן המתמטי).
לאור העובדה כי השטח של המסכים ההולוגרפיים לעתיד ולעבר גדלים בכיוונים שונים, כיוון הזמן שונה עבור כל אחד מסוגי המסכים. במסכי עבר, הזמן נע קדימה. יקומים מתפשטים, כמו זה שלנו, כרוכים במסכים הולוגרפיים לעבר, ולכן אנו באופן טבעי תופסים את הזמן התרמודינמי כנע קדימה. בניגוד לכך, הזמן ינוע אחורה במסכים הולוגרפיים לעתיד. במובן מסוים, פרשנות זו מולידה את התוצאה המוזרה שזמן תרמודינמי נע אחורה בתוך חורים שחורים ובתוך יקומים קורסים.
המדענים גם מעירים במאמר שלהם כי זהו חוק השטחים הישים הנרחב הראשון של תורת היחסות הכללית מאז 1971, כאשר סטיבן הוקינג הראה כי אופק האירועים של חור שחור (ולכן גם שטח הפנים הכולל שלו) לעולם לא קטן. יחד עם זאת, לאחר מכן, הוקינג הראה כי בנוכחות אפקטים קוונטיים, חורים שחורים פולטים קרינה. פליטה זו גורמת לאופק האירועים של חור שחור, של שטח הפנים שלו ושל המסה שלו לקטון בחלוף הזמן, וכך בסופו של דבר החור השחור מתנדף ונעלם לו. אולם, בהעדר אפקטים קוונטיים, חוק השטחים של הוקינג עדיין תקף. "חוק השטחים החדש שלנו תקף בהעדר אפקטים קוונטיים, ואנו מקווים כי בעתיד נוכל להוכיח חוק שטחים כללי יותר שיהיה תקף גם בנוכחות אפקטים קוונטיים מסוימים", מוסיף החוקר הראשי.
שאלות ותשובות
מהו חוק השטחים החדש שהציעו החוקרים?
החוק קובע שהשטח של מסך הולוגרפי בעתיד יגדל תמיד בכיוון אחד, ואילו השטח של מסך הולוגרפי בעבר יגדל תמיד בכיוון אחר. לפי החוקרים זהו חוק השטחים הישים הנרחב הראשון בתורת היחסות הכללית מאז 1971.
מהו מסך הולוגרפי?
מסך הולוגרפי הוא עצם גיאומטרי קעור המהווה גבול מקומי לאזורים של שדות כבידה עוצמתיים. בניגוד לאופק האירועים, הוא מוגדר לפי תכונות מקומיות ואינו תלוי במידע על העתיד האינסופי.
האם חורים שחורים באמת "יודעים" מה יקרה בעתיד?
לא. לדברי החוקר הראשי, אופק האירועים מוגדר ביחס לזמן עתידי אינסופי ולכן חור שחור "יודע" את עתיד היקום רק בהגדרה, וזו פשוט צורה נוחה לתיאור חורים שחורים.
באיזה כיוון נע הזמן התרמודינמי לפי המחקר?
במסכים הולוגרפיים לעבר, כמו ביקום המתפשט שלנו, הזמן התרמודינמי נע קדימה. במסכים הולוגרפיים לעתיד, כמו בחורים שחורים וביקומים קורסים, הזמן התרמודינמי נע אחורה.
במה החוק החדש שונה מחוק השטחים של הוקינג?
חוק השטחים של הוקינג עוסק באופק האירועים של חור שחור, ובנוכחות אפקטים קוונטיים הוא אינו תקף כי החור פולט קרינה. גם החוק החדש תקף בהעדר אפקטים קוונטיים, והחוקרים מקווים להוכיח בעתיד חוק כללי יותר.