Versi aslinya dari cerita ini muncul di Berapa banyak majalah.
Pada awal waktu dan pusat setiap lubang hitam terletak titik kepadatan tak terbatas yang disebut singularitas. Untuk menjelajahi teka -teki ini, kita mengambil apa yang kita ketahui tentang ruang, waktu, gravitasi, dan mekanika kuantum dan menerapkannya ke tempat di mana semua hal itu hancur. Mungkin, mungkin, tidak ada di alam semesta yang lebih menantang imajinasi. Fisikawan masih percaya bahwa jika mereka dapat membuat penjelasan yang koheren untuk apa yang sebenarnya terjadi di dalam dan sekitar singularitas, sesuatu yang akan muncul, mungkin akan muncul pemahaman baru tentang apa ruang dan waktu terbuat dari apa.
Pada akhir 1960 -an, beberapa fisikawan berspekulasi bahwa singularitas mungkin dikelilingi oleh daerah yang mengaduk -aduk kekacauan, di mana ruang dan waktu dengan sembarangan tumbuh dan menyusut. Charles Misner dari University of Maryland menyebutnya “Mixmaster Universe,” setelah apa yang dulu a Jajaran peralatan dapur yang populer. Jika seorang astronot jatuh ke dalam lubang hitam, “Seseorang dapat membayangkan itu mencampur bagian tubuh astronot dengan cara agar mixmaster atau telur mencampur kuning telur dan putih telur,” Kip Thorneseorang ahli fisika pemenang Hadiah Nobel, kemudian menulis.
Teori relativitas umum Einstein, yang digunakan untuk menggambarkan gravitasi lubang hitam, menggunakan persamaan bidang tunggal untuk menjelaskan bagaimana kurva ruang dan materi bergerak. Tetapi persamaan itu menggunakan a Singkatan matematika disebut tensor Untuk menyembunyikan 16 persamaan yang berbeda dan saling terkait. Beberapa ilmuwan, termasuk Misner, telah merancang asumsi penyederhanaan yang berguna untuk membiarkan mereka mengeksplorasi skenario seperti alam semesta Mixmaster.
Tanpa asumsi itu, persamaan Einstein tidak dapat diselesaikan secara analitis, dan bahkan dengan mereka itu terlalu rumit untuk simulasi numerik saat itu. Seperti alat yang mereka beri nama, ide -ide ini tidak masuk dari gaya. “Dinamika ini seharusnya menjadi fenomena gravitasi yang sangat umum,” kata Gerben olingseorang peneliti postdoctoral di University of Edinburgh. “Tapi itu sesuatu yang jatuh dari peta.”
Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan telah meninjau kembali kekacauan di sekitar singularitas dengan alat matematika baru. Tujuan mereka ada dua. Salah satu harapan adalah menunjukkan bahwa perkiraan yang dibuat Misner dan yang lainnya adalah perkiraan yang valid dari gravitasi Einstein. Yang lainnya adalah mendorong lebih dekat ke singularitas dengan harapan bahwa ekstrem mereka akan membantu mendamaikan relativitas umum dengan mekanika kuantum dalam teori gravitasi kuantum, yang telah menjadi tujuan fisikawan selama lebih dari seabad. Sebagai Sean Hartnoll dari University of Cambridge mengatakannya, “Waktunya sudah matang sekarang untuk ide -ide ini sepenuhnya dikembangkan.”
Kelahiran Kekacauan Mixmaster
Thorne menggambarkan akhir 60 -an sebagai “zaman keemasan” untuk penelitian lubang hitam. Istilah “lubang hitam” baru saja digunakan secara luas. Pada bulan September 1969, dalam kunjungan ke Moskow, Thorne diberi naskah oleh Evgeny Lifshitz, seorang ahli fisika terkemuka Ukraina. Bersama Vladimir Belinski dan Isaak Khalatnikov, Lifschitz telah menemukan solusi baru untuk persamaan gravitasi Einstein di dekat singularitas, menggunakan asumsi yang telah mereka rancang. Lifshitz takut sensor Soviet akan menunda publikasi hasil, karena bertentangan dengan bukti sebelumnya bahwa dia telah menulis bersama, jadi dia meminta Thorne untuk membagikannya di Barat.
Model lubang hitam sebelumnya diasumsikan simetri sempurna yang tidak ditemukan di alam, menunjukkan, misalnya, bahwa bintang adalah bidang yang sempurna sebelum runtuh menjadi lubang hitam, atau bahwa ia tidak memiliki muatan listrik bersih. (Asumsi -asumsi ini memungkinkan persamaan Einstein untuk diselesaikan, dalam bentuk yang paling sederhana, dengan Karl Schwarzschild Tak lama setelah Einstein menerbitkannya.) Solusi yang ditemukan oleh Belinski, Khalatnikov, dan Lifschitz, yang kemudian disebut solusi BKL setelah inisial mereka, menggambarkan apa yang mungkin terjadi dalam situasi yang berantakan dan lebih realistis di mana lubang hitam terbentuk dari benda -benda berbentuk tidak teratur. Hasilnya bukanlah peregangan ruang dan waktu yang mulus di dalamnya, tetapi lautan ruang yang menggembung dan waktu meregangkan dan mengompresi ke berbagai arah.
Thorne menyelundupkan kertas itu kembali ke Amerika Serikat dan mengirimkan salinannya kepada Misner, yang dia tahu berpikir di sepanjang baris yang sama. Ternyata Misner dan kelompok Soviet secara mandiri telah turun pada ide yang sama menggunakan asumsi dan teknik yang sama. Terlebih lagi, kelompok BKL “menggunakannya untuk menyelesaikan masalah terbesar yang belum terpecahkan pada era itu dalam relativitas matematika,” kata Thorne, mengenai keberadaan apa yang dikenal sebagai singularitas “generik”. Belinski, anggota terakhir yang bertahan dari trio BKL, baru -baru ini mengatakan dalam email bahwa deskripsi Misner yang jelas pada gilirannya membantunya memvisualisasikan situasi kacau di dekat singularitas yang mereka berdua terungkap.
Searah jarum jam dari atas: Isaak Khalatnikov, Vladimir Belinski, dan Evgeny Lifshitz menemukan singularitas lubang hitam kacau di akhir 1960 -an. Pada saat itu, Khalatnikov dan Lifshitz adalah dua fisikawan Soviet yang paling terkemuka, sementara Belinski berada di sekolah pascasarjana.
Memahami beberapa dari apa yang mereka ungkapkan perlu memahami cara -cara bahwa relativitas umum dan mekanika kuantum berselisih satu sama lain. Khususnya, relativitas berpendapat bahwa ruangwaktu harus terus menerus: Anda dapat melihat jarak kecil yang sewenang -wenang dan tidak pernah menemukan celah di dalamnya. Namun, dalam mekanika kuantum, menjadi tidak ada artinya untuk berbicara tentang jarak yang lebih kecil dari batas yang disebut panjang Planck-lebih rendah bahwa, kita tidak dapat tahu bahwa tidak ada celah dalam ruang-waktu. Tetapi kedua teori tersebut memiliki satu kesamaan. Keduanya sangat berlawanan dengan intuisi.
Relativitas berpendapat bahwa dua wilayah ruang dapat diputus, yang berarti bahwa tidak ada yang terjadi di satu wilayah yang dapat memiliki efek yang mungkin pada yang lain. Bagaimanapun, ini mungkin karena mereka berjauhan – kecepatan cahaya terbatas. Tetapi daerah ruangwaktu juga dapat menjadi terputus, atau dipisahkan, di hadapan medan gravitasi yang kuat, seperti yang ditemukan di dalam dan di sekitar lubang hitam. Bidang -bidang ini memperlambat aliran waktu sehingga interaksi menjadi tidak mungkin. Misalnya, bagian dalam dan luar lubang hitam dipisahkan oleh batas yang disebut horizon peristiwa. Karena gravitasi lubang hitam begitu kuat, apa pun yang terjadi di dalam horizon peristiwa tidak akan pernah bisa diamati dari luar lubang hitam, menurut relativitas. (Mekanika kuantum memperkenalkan komplikasi tambahan.)
Karena medan gravitasi yang kuat dapat menyebabkan ruang memisahkan, kelompok BKL berpendapat bahwa, ketika Anda mendekati singularitas, gravitasi yang kuat menyebabkan setiap titik di ruang angkasa memisahkan diri dari yang lain. Ini berarti bahwa setiap bagian kecil dari ruang berperilaku dengan persyaratannya sendiri, dan itu membuat matematika lebih sederhana (meskipun masih cukup rumit). Jika decoupling terjadi, mereka menunjukkan bahwa bagian dalam lubang hitam adalah mishmash – bukan seperti peregangan ruang dan waktu yang halus yang disarankan solusi Schwarzschild sebelumnya. Seperti yang dijelaskan Hartnoll, meskipun argumen BKL tidak sepenuhnya ketat oleh standar matematika, sampai mereka memajukan gagasan itu, tidak ada yang mengantisipasi bahwa decoupling terjadi. BKL, katanya, jauh di depan waktu mereka.
Dalam akun mereka, di sekitar setiap titik terpisah, ruang membentang dalam arah acak dan mengompres di dua arah tegak lurus lainnya. Kemudian, setelah jumlah waktu yang singkat tetapi acak, itu membalik, membentang di salah satu arah yang sebelumnya terjepit dan menjepit dua lainnya. Ini dapat dianggap seperti sepak bola yang sangat memanjang yang terus “memantul” di antara orientasi yang berbeda.
Sean Hartnoll telah menganalisis perilaku kacau yang ditemukan di dalam lubang hitam dengan harapan muncul dengan teori gravitasi kuantum.
Selama beberapa dekade, fisikawan dan matematikawan ingin menunjukkan bahwa dinamika kacau ini bukan artefak dari asumsi penyederhanaan decoupling, tetapi melekat pada lubang hitam. Pada awal 2000 -an, kekuatan komputasi yang tumbuh secara eksponensial dan algoritma baru memungkinkan untuk melakukan simulasi numerik Itu konsisten dengan decoupling. Sekitar waktu yang sama, Marc Henneaux, Thibault Damour Dan Hermann Nicolai membuktikan adanya sejumlah simetri rumit di dekat singularitas, tanpa mengasumsikan bahwa decoupling harus terjadi. Sejak itu, fisikawan dan matematikawan telah bekerja untuk menentukan ketika kekacauan muncul di dekat singularitas, dan mencari tahu apa lagi yang bisa dikatakan tentang singularitas itu sendiri.
Hologram penyederhanaan
Pada tahun 1997, Juan Maldacenaseorang fisikawan yang sekarang berada di Institute for Advanced Study, menemukan korespondensi, yang dikenal sebagai ADS/CFT, antara dua versi ruangwaktu yang berbeda: ruangwaktu dimensi yang lebih tinggi yang disebut bulk dan ruangwaktu dimensi yang lebih rendah yang disebut batas. Korespondensi ini sering dibandingkan dengan cara hologram dapat membuat struktur dua dimensi tampak tiga dimensi. Juga disebut dualitas, itu berarti bahwa solusi yang tiba di salah satu dari dua alam semesta mainan yang disederhanakan juga berlaku untuk yang lain.
Pada awal 2000 -an, Marc Henneaux menemukan keberadaan simetri rumit dalam interior kacau lubang hitam.
Gravitasi hanya muncul di sisi korespondensi dimensi yang lebih tinggi, yang disebut ruang pengasuh anti-de, atau iklan. Di sisi batas, tidak ada gravitasi. Interaksi antara partikel -partikel yang hanya diatur oleh versi mekanika kuantum yang disebut teori medan konformal, atau CFT. Seseorang dapat menggunakan ADS/CFT untuk menimbulkan masalah kompleks di satu sisi, menerjemahkannya ke dalam bentuk yang lebih sederhana di sisi lain, dan menerjemahkan solusi kembali – alat yang sangat kuat bagi fisikawan yang ingin memahami fenomena gravitasi seperti lubang hitam. (Beberapa masalah lebih mudah di sisi iklan, sementara yang lain lebih mudah di sisi CFT.)
Pada 2019 Hartnoll, yang saat itu menjadi profesor di Stanford, bersama dengan murid -muridnya, berangkat ke Gunakan korespondensi Untuk mengetahui apa yang terjadi di dalam lubang hitam iklan. “Alasan kami ingin melakukan ini,” kata Hartnoll, “adalah untuk menghubungkan interior lubang hitam, yang tidak dipahami dengan baik, dengan wilayah yang jauh, yang dipahami dengan baik.” Mereka menemukan kekacauan yang mirip dengan yang sebelumnya ditemukan BKL. Selama setengah dekade terakhir, ia dan kolaboratornya memiliki lanjutan untuk menggunakan korespondensi Menganalisis dinamika lubang hitam.
Setelah Hartnoll pertama kali menemukan kekacauan seperti BKL di ADS/CFT, yang lain telah mencoba mencari tahu apa, tepatnya, menyebabkannya muncul. Oling mengatakan bahwa penemuan Hartnoll tentang mixmaster dalam iklan/lubang hitam CFT datang sebagai kejutan. Tim Hartnoll “menemukan bahwa perilaku ini muncul dalam pengaturan di mana mereka tidak mengharapkannya,” katanya. Bersama Juan Pedraza Institut Fisika Teoritis di Madrid, Oling telah ditunjukkan bahwa itu muncul bahkan dalam model mainan iklan/cft di mana kecepatan cahaya diatur ke nol. Oling mengatakan bahwa Henneaux, antara lain, telah mengantisipasi bahwa ini harus terjadi, tetapi buktinya tidak diberikan. “Bagi saya, itu tidak jelas,” kata Oling, “karena Anda benar -benar menyederhanakan teorinya.” Secara paralel, ahli matematika telah mendekati kekacauan seperti BKL dari arah mereka sendiri meraung pergi pada asumsi diperlukan untuk membuktikan itu Kekacauan munculdan memeriksa apakah itu harus muncul bahkan tanpa asumsi decoupling.
Seperti yang mungkin diharapkan, pemodelan yang kacau dan bouncing yang tidak dapat diprediksi dalam ruangwaktu adalah sebuah tantangan. Baru -baru ini, Hartnoll dan muridnya Ming Yang mencoba rata -rata banyak bouncing di lubang hitam. Di pracetak mereka dibagikan Pada tanggal 4 Februari 2025, mereka menemukan pola menggunakan teknik ini terkait dengan fungsi matematika abstrak yang disebut Bentuk modular. Ini menunjukkan bahwa bahasa matematika yang diketahui dapat digunakan untuk memahami kekacauan. “Pola -pola ini dapat menunjukkan struktur gravitasi tersembunyi yang mendasarinya,” kata Hartnoll. “Itu mungkin membuatnya lebih mudah untuk merumuskan teori gravitasi kuantum.” Bahkan jika horizon peristiwa mencegah kita dari secara langsung mengamati kekacauan di dalam lubang hitam, mengetahui itu ada di sana dan apa artinya bisa menunjukkan jalan ke fisika baru, dan menuju jawaban atas beberapa pertanyaan termegah kita tentang realitas itu sendiri.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalahpublikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren matematika dan ilmu fisik dan kehidupan.
