כדי להציל את תורת הקוונטים, חייבת להיות למידע דרך להיחלץ מלפיתתו של חור שחור. תצפיות חדשות אולי יוכלו לגלות לנו איך זה קורה

בקיצור

  • על פי מכניקת הקוונטים אי אפשר להשמיד מידע. אבל כשמשלבים אותה בתורת היחסות הכללית, החוקים הקוונטיים קובעים שחורים שחורים משמידים מידע.
  • מדענים הציעו תיקונים לתמונה הקלאסית של חורים שחורים, במטרה ליישב את הפרדוקס, אולם אין להם ראיות שיוכלו לאמת את התיקונים הללו.
  • המצב משתנה כעת בזכות "טלסקופ אופק האירועים", שצילם לאחרונה תמונה ראשונה של חור שחור, ובעקבות מדידות גלי כבידה מהתנגשויות של חורים שחורים.

ב-10 באפריל 2019 זכתה האנושות להציץ לראשונה בחור שחור. אנשי "טלסקופ אופק האירועים" (EHT), שמשתמש ברשת של מצפי רדיו משולבים הפזורים לאורכו ולרוחבו של כדור הארץ, שיתפו תמונות שצילמו. הן מראות במרכזה של גלקסיית M87 הסמוכה עצם שנראה כמו חור שחור שמסתו גדולה פי 6.5 מיליארד ממסת השמש שלנו. זה היה הישג עוצר נשימה – התמונות הראשונות של אחד העצמים המסתוריים ביותר ביקום, שקיומו נחזה לפני זמן רב אולם מעולם לא "ראינו" אותו ישירות. ובזה לא תמה ההתרגשות – התמונות, והתצפיות שיבואו בהמשך, מתחילות לספק לנו רמזים חדשים בנוגע לאחת התעלומות העמוקות יותר בפיזיקה.

החידה הזו היא ה"פרדוקס" הנוגע למה שקורה למידע בחור שחור. הפיזיקאים שהתעמקו בשאלה הזו גילו שעצם קיומם של חורים שחורים אינו עולה בקנה אחד עם חוקי מכניקת הקוונטים, שעד כה מצליחים לתאר כל דבר אחר ביקומנו. ייתכן שכדי ליישב את הסתירה הזאת נזדקק למהפכה עמוקה נוספת, כמו זו שחוללה מכניקת הקוונטים כשהדיחה את הפיזיקה הקלאסית מכסאה.

תיאורטיקנים בדקו רעיונות רבים, אולם עד כה לא היו כמעט ראיות ישירות שיסייעו ליישב את הבעיה. התמונה הראשונה של חור שחור מתחילה כעת לספק לנו נתונים שנוכל להשתמש בהם בפועל כדי לעצב את התיאוריות שלנו. תצפיות עתידיות של טלסקופ אופק האירועים – בייחוד אלו שיחשפו איך חורים שחורים מתפתחים לאורך זמן – בצד זיהויים של חורים שחורים מתנגשים שנרשמו לאחרונה בגלאים של גלי כבידה, יוכלו לספק תובנות חדשות וחשובות ולסייע לנו לקדם את פניו של עידן חדש לגמרי בפיזיקה.

בעיית המידע

למרות המסתורין העמוק האופף אותם, נראה שחורים שחורים נמצאים בכל פינה ביקום. התצפיות של טלסקופ אופק האירועים ומדידות גלי הכבידה הן רק הראיות העדכניות ביותר והמוצקות ביותר לכך שחורים שחורים הם אכן מציאות ממשית – ונפוצה מאוד – גם אם לעיתים נדמה שהם תופעה השייכת לעולם הדמיון. ועם זאת, עצם קיומם מאיים על יסודותיה של הפיזיקה המוכרת לנו כיום. מקובל לחשוב שהעקרונות הבסיסיים של מכניקת הקוונטים שולטים בכל חוקי הטבע האחרים, אולם כשמחילים אותם על חורים שחורים הם מובילים לסתירה, שחושפת פגם בחוקים הללו כפי שהם נראים כיום.

צילום ראשון של חור שחוראור סביב מה חור שחור בגלקסיה M87 | צילום: מעבדות EHT והמצפה האירופי הדרומי

הבעיה מתעוררת מתוך אחת השאלות הפשוטות ביותר שאנחנו יכולים לשאול על חורים שחורים: מה קורה לדברים שנופלים לתוכם? כדי להסביר את הבעיה במלואה צריך ללטש מעט את ניסוחה. ראשית, על פי החוקים הנוכחיים של מכניקת הקוונטים, חומר ואנרגיה יכולים לפשוט צורה וללבוש צורה: לדוגמה, חלקיקים מסוג אחד יכולים להפוך לחלקיקים אחרים. אולם דבר אחד נשאר מקודש ואינו מושמד לעולם – המידע הקוונטי. אם אנחנו יודעים את התיאור הקוונטי המלא של מערכת, אנחנו אמורים להיות מסוגלים לקבוע תמיד בדיוק מלא את התיאור הקוונטי שהיה לה קודם או שיהיה לה בעתיד, בלי לאבד שום מידע. אם כן, ניסוח מדויק יותר של השאלה יהיה "מה קורה למידע קוונטי שנופל לתוך חור שחור?"

האופן שבו אנו מבינים חורים שחורים מתבסס על תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, שעל פיה הכבידה צומחת מתוך עקמומיות המרחב והזמן. נהוג לדמות את הרעיון הזה לכדור כבד שמעוות יריעת גומי של טרמפולינה. עיוות המרחב-זמן הזה גורם למסלולם של גופים בעלי מסה ושל אור להתעקם, ואנחנו קוראים לתופעה הזאת כבידה. אם נרכז מספיק מסה בתוך אזור קטן דיו, עיוות המרחב-זמן סביבה יהיה חזק עד כדי כך שהאור עצמו לא יוכל להימלט מהתחום המצוי בתוך מה שאנחנו מכנים "אופק האירועים": והנה קיבלנו חור שחור. ואם שום דבר לא נע מהר יותר מהאור – ובכלל זה מידע – הרי שכל הדברים חייבים להישאר תקועים בתוך הגבול הזה. חורים שחורים הופכים לבולענים קוסמיים שלוכדים בתוכם מידע לצד אור וחומר.

אולם הסיפור נהיה עוד יותר מוזר. יתכן שהתגלית הגדולה ביותר של סטיבן הוקינג הייתה התחזית שלו משנת 1974 שלפיה חורים שחורים מתאדים. הרעיון הזה הוביל גם לרעיון המטלטל שלפיו חורים שחורים משמידים מידע קוונטי.

על פי מכניקת הקוונטים, זוגות של "חלקיקים וירטואליים" צצים מן האיִן כל הזמן ובכל מקום. בדרך כלל זוג כזה, שמורכב מחלקיק ומבן זוגו האנטי-חלקיק, מתאיין במהירות, אולם אם הוא נוצר סמוך לאופק של חור שחור, אחד החלקיקים עשוי לצוץ בצד אחד של הגבול וחברו בצד השני. החלקיק החיצוני יכול להימלט, ולשאת עימו אנרגיה. על פי חוק שימור האנרגיה אנחנו יכולים להסיק שהחור השחור איבד כך אנרגיה, ומכאן שפליטת חלקיקים כאלה גורמת לחור השחור להתכווץ בהדרגה עד שייעלם לחלוטין.

הבעיה היא שהחלקיקים הנמלטים, המכונים "קרינת הוקינג", אינם נושאים מעצם מהותם שום מידע בנוגע למה שנכנס לתוך החור השחור. לפיכך, חישוביו של הוקינג מראים לכאורה שהמידע הקוונטי שנופל לתוך חור שחור מושמד בסופו של דבר – בסתירה למכניקת הקוונטים.

הגילוי הזה חולל משבר עמוק בפיזיקה. משברים דומים לזה הובילו בעבר לפריצות דרך עצומות. לדוגמה, בתחילת המאה ה-20 חשבו שהפיזיקה הקלאסית חוזה שאטומים יהיו בהכרח בלתי יציבים, בסתירה ברורה לקיומו של חומר יציב. הבעיה הזו מילאה תפקיד מפתח במהפכה הקוונטית.

על פי הפיזיקה הקלאסית, מכיוון שהאלקטרונים שבתוך האטומים משנים בהתמדה את כיוון התנועה שלהם, הם פולטים אור בלי הרף ולכן אמורים לאבד אנרגיה וליפול לגרעין במסלול לולייני. אולם בשנת 1913 העלה נילס בוהר את האפשרות שבפועל אלקטרונים נעים אך ורק במסלולים בדידים ("מקוונטטים"), ואינם יכולים לנוע פנימה במסלול לולייני כזה. הרעיון המהפכני הזה סייע לבנות את התשתית למכניקת הקוונטים, שניסחה מחדש את חוקי הטבע היסודיים. כיום נראה יותר ויותר שמשבר החור השחור יוביל באופן דומה לעוד שינוי פרדיגמה בפיזיקה.

חלופות קוונטיות

כשהוקינג חזה לראשונה את ההתאדות של חורים שחורים, הוא טען שמכניקת הקוונטים שגויה בוודאי ושאפשר להשמיד מידע. אולם עד מהרה הבינו הפיזיקאים שבשביל שינוי כזה צריך לקעקע מן היסוד את חוק שימור האנרגיה, צעד שימיט חורבן על האופן הנוכחי שבו אנחנו מתארים את היקום. נראה שעלינו לחפש את הפתרון במקום אחר.

רעיון אחר שעלה בשלב מוקדם היה שחורים שחורים אינם מתאדים לגמרי, אלא מפסיקים להתכווץ כשגודלם זעיר ומותירים מאחור שיירים מיקרוסקופיים שמכילים את המידע המקורי. אולם המדענים הבינו שאם הרעיון הזה נכון, אזי תכונות יסודיות של פיזיקת הקוונטים יחזו אי-יציבויות הרסניות שיגרמו לחומר רגיל להתפוצץ ולהפוך לשיירים כאלה – עוד תוצאה שסותרת את ההתנסות היומיומית שלנו.

בעיית המידע
חורים שחורים נחזו בידי תורת היחסות הכללית, ומצטברות יותר ויותר ראיות אסטרופיזיקליות התומכות בקיומם. אולם בשנת 1974 טען סטיבן הוקינג שחורים שחורים מתאדים בסופו של דבר. אם זה נכון, אזי כל דבר שנופל לתוכם מושמד לחלוטין, כולל המידע שמכיל החומר שנפל פנימה. הבעיה היא שמכניקת הקוונטים וחוק שימור האנרגיה אינם מתירים השמדה כזאת של מידע. בתגובה להוקינג העלו פיזיקאים כמה הצעות שנועדו לתקן את תמונת החורים השחורים שבידינו כך שיעלו בקנה אחד עם פיזיקת הקוונטים:

טבלת תיאוריות חליפיותאיורים: אמנדה מונטנז

ניכר שמשהו שגוי כאן מן השורש. מפתה להסיק שהפגם טמון בניתוח המקורי של הוקינג ושבצורה כלשהי המידע מצליח להימלט מחור שחור שפולט קרינת הוקינג. האתגר כאן הוא שהתרחיש הזה סותר אחת מאבני הפינה של הפיזיקה כיום – עקרון הלוקליות, הקובע שמידע אינו יכול לעבור ממקום אחד למקום אחר במהירות "סופר-לומינלית" – כלומר מהר יותר מהאור. אבל על פי ההגדרה שלנו לחורים שחורים, הדרך היחידה להימלט מחור שחור היא לנוע מהר יותר מהאור, כך שאם מידע אכן נמלט, הוא חייב לעשות את זה במהירות סופר-לומינלית, שסותרת את עקרון הלוקליות. בארבעים השנים שחלפו מאז תגליתו של הוקינג ניסו הפיזיקאים למצוא פרצה בטיעון הזה כדי שיישאר בתחומי הפיזיקה הרגילה, אולם העלו חרס בידם.

הניסיון המוצלח ביותר היה הצעה של הוקינג, מלקולם פרי (Perry) ואנדרו סטרומינגר (Strominger), שהעלו את האפשרות שהניתוח המקורי שגוי, כך ששום מידע לא נכנס לחלוטין לתוך חור שחור, אלא הוא מותיר בחוץ מעין חותמת, שאת צורתה הם כינו "שערות עדינות". אולם נראה שבחינה מדוקדקת יותר סגרה גם את הפרצה הזאת, ורוב המומחים אינם סבורים שזו יכולה להיות התשובה. בקיצור, נראה שנחוצים צעדים קיצוניים יותר.

אחד הרעיונות המתבקשים הוא שפיזיקה כלשהי שאיננו מכירים מונעת מחורים שחורים אמיתיים להתקיים מלכתחילה. התמונה המקובלת של היווצרות חורים שחורים גורסת כי כאשר כוכבים גדולים מאוד מכלים את הדלק שלהם ומתים, המסה שלהם קורסת תחת הכבידה של עצמם והם הופכים לחור שחור. אבל מה אם הם כלל אינם מגיעים לשלב הזה ובפועל הם הופכים לעצמים שמתנהגים "יפה יותר"?

למעשה, אנחנו יודעים שכאשר כוכבים שהמסה שלהם קטנה יותר, כמו השמש שלנו, מכלים את הדלק שלהם וקורסים, הם אינם יוצרים חורים שחורים אלא מותירים מאחור שרידים דחוסים – למשל ננסים לבנים או כוכבי ניטרונים. אז אולי יש חוקי פיזיקה בלתי ידועים שמונעים גם מכוכבים גדולים יותר ליצור חורים שחורים וגורמים להם להפוך במקום זאת למעין "שריידים מסיביים" – משהו שדומה יותר לכוכב ניטרונים מאשר לחור שחור.

הבעיה בהצעה הזאת היא שאיננו יודעים להסביר מה יכול לייצב עצמים כאלה – שום פיזיקה מוכרת לא תמנע מהם להמשיך לקרוס תחת כבידתם, ואילו כל פיזיקה דמיונית שתצליח בזה תדרוש כנראה אותות סופר-לומינליים שיעברו מצד אחד של החומר הקורס למשנהו.

למעשה, חורים שחורים גדולים רגילים יכולים להיווצר מחומר שהצפיפות שלו נמוכה מאוד. לדוגמה, אם החור השחור שמכיל 6.5 מיליארד מסות שמש ב-M87 נולד מקריסה של ענן אבק (דבר אפשרי תיאורטית, אף שהתהליך שהתרחש בפועל היה כנראה מורכב יותר), זה קרה כשהאבק הגיע לצפיפות דומה לזו של האוויר בפסגת הר האוורסט. (האוויר על פסגת האוורסט אינו יוצר חור שחור, מפני שהכמות שלו נמוכה מדי; לשם כך יש צורך ב-6.5 מיליארד מסות שמש). בתוך אזור דל-צפיפות כזה יהיה נחוץ תהליך פיזיקלי חדש, סופר-לומינלי וקיצוני, שיהפוך מיד את הענן הקורס לשריד מסיבי במקום לאפשר לחור שחור להיווצר.

רעיון דומה אומר שמשהו יכול לגרום לחורים שחורים להשתנות לשרידים מסיביים המכילים את המידע המקורי אחרי שנוצרו, אבל הרבה לפני שהם מתאדים. אולם גם התרחיש הזה דורש מעבר מידע לא-לוקלי מחלקו הפנימי של החור השחור ההתחלתי אל השריד הסופי.

למרות הבעיות של התרחישים האלה, המדענים חקרו גרסאות של שניהם. לדוגמה, בשנת 2003 העלה סמיר מאתור (Mathur) הצעה המבוססת על תורת המיתרים, שמניחה שחלקיקים אלמנטריים הם מיתרים זעירים. לפי הצעתו, חור שחור הופך ל"כדור פלומה" (fuzzball), שהוא מעין שריד מסיבי, או שאולי כדור פלומה נוצר מלכתחילה במקום חור שחור. הודות לפיזיקה הסבוכה של תורת המיתרים והעובדה שהיא מתירה למרחב-זמן לחרוג מארבעת הממדים המסורתיים, ייתכן שלכדורי פלומה תהיה גיאומטריה מורכבת של ממדים גבוהים יותר. במקום הגבול החד שקיים באופק האירועים של חור שחור מסורתי, לכדור פלומה יהיה גבול גדול ופלומתי יותר במקום שבו אנו נתקלים במיתרים ובגיאומטריה של ממדים גבוהים יותר.

אפשרות אחרת הכוללת גרסה עדכנית יותר של תרחיש השריד היא ההצעה שבמקום חור שחור עם אופק אירועים, נוצר שריד מסיבי שבמקום המיועד לאופק האירועים שלו יש משטח של "חומת אש" העשויה מחלקיקים עתירי אנרגיה. חומת האש הזאת תצית כל דבר שנתקל בה ותהפוך אותו לאנרגיה טהורה שתתווסף לחומת האש. אולם גם חומת האש וגם כדור הפלומה סובלים מאותה בעיה – הם דורשים הפרה של הלוקליות. כמו כן, לעצמים המתקבלים אמורות להיות תכונות נוספות שקשה מאוד להסביר.

בול אלברט איינשטייןדרוש: עדכון לתורת איינשטיין | צילום: שאטרסטוק

לעדכן את הלוקליות

בכל ההצעות הכוללות שריד מסיבי עוברת כחוט השני העובדה שכדי להציל את מכניקת הקוונטים צריך לכאורה להפר את עקרון הלוקליות. אולם הפרה חסרת אחריות כזאת צפויה להיות הרסנית לא פחות מעדכון מכניקת הקוונטים. למעשה היא בדרך כלל מובילה לפרדוקס אחר. בפרט, לפי חוקי תורת היחסות, אם תשלחו אות מהיר מן האור בתוך מרחב ריק ושטוח, הצופים החולפים על פניכם במהירות גבוהה דיה יראו את האור נע אחורנית בזמן. הפרדוקס נוצר מכיוון שבמצב כזה האיתות הסופר-לומינלי הזה מאפשר לכם לשלוח הודעה לעבר שלכם – למשל לבקש ממישהו להרוג את סבתא שלכם לפני שאמכם נולדה.

אף שסוג התשובה הזה נראה כסתירה לעקרונות הפיזיקה היסודית, ראוי לבחון אותו יותר לעומק. עדכון עקרון הלוקליות נשמע מטורף, אבל לא מצאנו שום חלופה שאינה כזאת.

אופיו החמוּר של משבר החור השחור מצביע במידה רבה שהפתרון יהיה כרוך בהפרה עדינה כלשהי של עקרון הלוקליות, שלא תיצור פרדוקסים כאלה. במילים אחרות, ממכניקת הקוונטים נובע שמידע אינו מושמד, ולפיכך מידע שנופל לתוך חור שחור חייב להימלט בסופו של דבר. ייתכן שזה מתרחש דרך "דה-לוקליזציה" חמקמקה כלשהי של מידע, שאולי תתבהר כשנצליח סוף סוף למצוא דרך לאחד בין מכניקת הקוונטים והכבידה – אחת הבעיות העמוקות ביותר של הפיזיקה בימינו.

למעשה, יש לנו עוד סיבות לחשוב שקיימת מציאות חמקמקה כזאת. עצם הרעיון של מידע לוקלי – כלומר מידע שיכול להתקיים במקום אחד אך לא במקום אחר – הוא פחות נוקשה בתיאוריות שכוללות כבידה, לעומת אלה שלא, משום ששדות כבידה מתפשטים לאינסוף, וזה מוסיף מורכבות למושג הלוקליות.

אם מידע אכן נמלט מחורים שחורים, ייתכן שהוא אינו זקוק לשינוי ברור וחריף עד כדי יצירת שריד מסיבי, ויהיה זה כדור פלומה, חומת אש או משהו אחר. הראיות לקיומם של חורים שחורים הולכות ומצטברות, ומעידות שיש ביקום עצמים שנראים ומתנהגים במידה רבה כמו חורים שחורים קלאסיים, שאינם סוטים הרבה מהתחזיות של איינשטיין. האם תורת היחסות מציגה תיאור שגוי במידה קיצונית של החורים השחורים, או שמא קיימים תוצאים פחות הרסניים שאיננו מכירים עדיין, ומפירים את הלוקליות של המידע ומאפשרים לו לדלוף מחורים שחורים בלי לנפץ לרסיסים את כל תמונת המרחב-זמן?

בניתוח תיאורטי שערכתי לאחרונה מצאתי שני סוגים של תוצאים כאלה. באחד מהן הגיאומטריה של המרחב-זמן ליד החור השחור משתנה, וגורמת לו להתכופף ולרפרף באופן התלוי במידע שבתוכו – אבל בעדינות, כך שהוא לא יחסל למשל אסטרונאוט שנופל מבעד לאזור שבו היה האופק אמור להימצא לפי התמונה המקובלת. בתרחיש "החזק והבלתי אלים" הזה, ההבהוב של המרחב-זמן יכול להוליך את המידע החוצה.

מה שמעניין הוא שגיליתי גם שיש דרך חמקמקה יותר, קוונטית במהותה, שמאפשרת למידע להימלט מחור שחור. בתרחיש "החלש והבלתי אלים" הזה, אפילו תנודות קוונטיות זעירות של גיאומטריית המרחב-זמן ליד חור שחור יכולות להעביר מידע לחלקיקים הנפלטים ממנו. העובדה שהיקפה של העברת המידע נותר גדול מספיק כדי להציל את מכניקת הקוונטים קשורה לכמות העצומה של המידע האפשרי שהחור השחור יכול להכיל. בכל אחת מהתמונות הללו, החור השחור מוקף בפועל ב"הילה קוונטית", שהאינטראקציות שמתנהלות בה מעבירות מידע בחזרה לסביבתו של החור.

יש לציין שאף על פי שהתרחישים הללו דורשים לכאורה תנועה סופר-לומינלית של מידע, הם אינם יוצרים בהכרח פרדוקס סבתא. שליחת המידע כאן קשורה לקיומו של החור השחור, שגיאומטריית המרחב-זמן שלו שונה מזו של המרחב השטוח, כך שהטיעון שהוזכר כאן בקשר לתקשורת עם העבר אינו תקף יותר.

האפשרויות האלו מפתות גם מנקודת מבט אחרת: עקרון הלוקליות הוא גם מה שמונע מאיתנו לנסוע במהירות שעולה על מהירות האור. מסתמן שמכניקת הקוונטים של חוקים שחורים אומרת לנו שמשהו שגוי בניסוח הנוכחי של העיקרון.

חור שחור: אילוסטרציההחורים השחורים מאיימים על הפיזיקה המוכרת לנו | איור: Science Photo Library

לשכתב את חוקי הפיזיקה

עד כה שום תיאוריה פיזיקלית שלמה יותר, שמיישבת את מכניקת הקוונטים עם הכבידה, לא חזתה תרחיש הילה קוונטית מהסוג הזה. עם זאת, הכיוון הזה מתקבל מאוד על הדעת בגלל הצורך לפתור את הבעיה ועל סמך הנחות המבוססות על מראה עינינו. אם תרחיש כזה הוא נכון, הוא מייצג כנראה תיאור מקורב של מציאות עמוקה יותר.

נראה שעצם מושגי המרחב והזמן שלנו, שהם התשתית שעליה ניצב שאר המדע, זקוקים לשכתוב רציני. אפשר אולי להקביל את המאמצים שנעשים כיום להבין חורים שחורים לניסיונות הראשונים של נילס בוהר ואחרים לפתח מודל עבור הפיזיקה של האטום. גם התיאורים האטומיים הראשוניים ההם היו מקורבים בלבד, ונדרש זמן עד שהובילו למבנה התיאורטי העמוק של מכניקת הקוונטים. שינוי עקרון הלוקליות אומנם נשמע מטורף, אבל אפשר להתנחם בכך שגם חוקי מכניקת הקוונטים נראו לא שפויים בעיני הפיזיקאים הקלאסיים שנאבקו בתגלית.

בהתחשב באתגר העצום העומד בפני הפיזיקאים בדרך להכניס סדר בסיפורם של החורים השחורים הקוונטיים, ובתיאוריה השלמה יותר המתארת אותם, הם להוטים לראיות ניסויות ותצפיתיות שיעזרו להם לפלס לעצמם דרך. קפיצות הדרך המסעירות שהושגו לאחרונה פתחו  בפני המין האנושי שני חלונות תצפית ישירים שמבעדם אפשר לצפות בהתנהגות של חור שחור. נוסף על תמונות החורים השחורים שצולמו בטלסקופ אופק האירועים, גם גלאי גלי הכבידה על ידי אינטרפרומטריית לייזר (LIGO) ומתקנים דומים אחרים התחילו לזהות גלי כבידה שמקורם בהתנגשויות בין גופים שאמורים להיות חורים שחורים. הגלים האלו נושאים עימם מידע יקר ערך בנוגע לתכונות של העצמים שיצרו אותם ולהתנהגותם.

האפשרות שטלסקופ אופק האירועים והגלאי LIGO יוכלו לזהות סטיות כלשהן מהתיאור שנתן איינשטיין לחורים השחורים עשויה להיראות שערורייתית למי שניגש לכך מנקודת מבט נאיבית. עד כה היה מקובל לחשוב שהתיאורייה שלו תזדקק לתיקונים רק במצב שבו עקמומיות המרחב-זמן תיעשה גדולה במיוחד, סמוך למרכזו החור השחור. לעומת זאת, העקמומיות חלשה מאוד ליד האופק של חור שחור גדול.

אולם משבר המידע שתיארתי מצביע על אפשרות אחרת. רבים מהתיאורטיקנים כיום תמימי דעים בנוגע לכך שחייבים להכניס שינויים בחוקי הפיזיקה שיש בידינו כיום, כדי שנוכל לתאר תופעות שמתרחשות לא רק במעמקי חור שחור אלא גם לאורך כל הדרך עד האופק ומעבר לו. נראה שאין כבר דרך חזרה. במקרה של החור השחור ב-M87, המרחק שבו אנחנו מצפים למצוא סטיות מהתחזיות הקלאסיות גדול פי כמה מגודלה של מערכת השמש שלנו.

LIGO וטלסקופ אופק האירועים הצליחו כבר לשלול אפשרויות פרועות יותר שאפשר היה לשקול בניסיון לספק תיאור לוגי עקבי של חורים שחורים. בפרט, אם היינו מחליפים חורים שחורים בשרידים מסיביים שגודלם עולה פי שניים ויותר מקוטרו של החור השחור המשוער, היינו רואים סימנים לכך בנתונים שהגיעו משני הניסויים.

חורים שחורים מתמזגיםחורים שחורים מתמזגים | איור: Science Photo Library

במקרה של טלסקופ אופק האירועים, חלק ניכר מהאור שיצר את התמונה שהתפרסמה כל כך מגיע מאזור שגודלו בערך פי אחת וחצי מקוטר אופק האירועים. ובאשר ל-LIGO, חלק מהאות של גלי הכבידה שאנו מזהים נוצר גם הוא באזור שבו מרחק דומה הפריד בין העצמים המתקרבים זה לזה במסלול התנגשות. אמנם חקר האותות הללו נמצא עדייין בחיתוליו, אבל כבר עכשיו ברור ש-LIGO וטלסקופ אופק האירועים חשפו עצמים אפלים מאוד ודחוסים מאוד שמפיקים אותות שנראים בדיוק כמו אלו שחזו שיהיו לחורים שחורים בלי צורך בתיקונים תיאורטיים.

ועדיין, חשוב לבחון את האותות האלה בקפידה. למעשה, ניתוח מדוקדק מספיק עשוי אפילו לחשוף רמזים נוספים על פיזיקת הקוונטים של חורים שחורים. וגם אם לא יתגלו שום תוצאים בתצפיות, עדיין נקבל מידע שמטיל אילוצים על התיאורים האפשריים של התנהגותם הקוונטית.

את השרידים שקוטרם גדול מספיק כבר פסלנו, אבל מה בנוגע לתרחישי שריד שמשנים את התיאור של חורים שחורים רק סמוך מאוד לאופק? אומנם כדי לדון בשאלה לעומק אנו זקוקים לתיאוריה שלמה יותר של השרידים האלו – למשל כדורי פלומה או חומות אש – אבל גם כך יש לנו אי אלו כמה כיוונים התחלתיים.

בפרט, אם הרדיוסים של העצמים הללו גדולים רק כמלוא הנימה מהרדיוס של האופק שהיה אמור להיות לחור השחור על פי התיאוריה המקובלת, אזי מתברר שהתצפיות של טלסקופ אופק האירועים או של LIGO לא יוכלו לחשוף מבנה כזה. אחרי הכול מעט מאוד אור או קרינת כבידה נמלטים מהאזור הסמוך מאוד לאופק.

אחת האפשרויות החורגות מן הכלל הזה היא האפשרות של "הדי" כבידה. כפי שהציעו לראשונה בשנת 2016 ויטור קרדוזו (Cardoso) מאוניברסיטת ליסבון, אדגרדו פרנצין (Franzin) מאוניברסיטת ברצלונה ופאולו פאני (Pani) מאוניברסיטת רומא, אם שני שרידים כאלה יתמזגו וייצרו שריד סופי בעל תכונות דומות, גלי כבידה יוכלו לחזור מפני השטח של השריד המשולב ותהיה אפשרות לצפות בהם.

עם זאת, אף על פי שקשה לבטל באמצעות תצפיות את מרבית התרחישים שמתארים תופעות סמוכות לאופק, עדיין קשה להסביר איך מבנים כאלה יוכלו להיות יציבים ולא לקרוס תחת משקלם וליצור חורים שחורים. הבעיה הזאת תקפה כמובן לכל תרחישי השריד המסיבי, אולם היא מאתגרת עוד יותר בנוכחות הכוחות הקיצוניים הכרוכים בהתנגשות כזאת.

סיכויי ההצלחה גדלים אם נעמיד למבחן תרחישים שבהם אינטראקציות חדשות מתנהגות כמו שינויים קלים בגיאומטריית המרחב-זמן אבל גם משתרעות למרחקים גדולים מהאופק. לדוגמה, בתרחיש החזק והבלתי אלים, האדוות בהילה הקוונטית של חור שחור יכולות לעוות אור שחולף ליד החור השחור. אם התרחיש הזה נכון, אזי ההבהוב יוכל ליצור עיוותים המשתנים עם הזמן בתמונות של טלסקופ אופק האירועים.

במחקר משותף שלי עם מדען ממיזם טלסקופ אופק האירועים, , דימיטריוס פסלטיס (Psaltis), מצאנו שהשינויים האלה יוכלו להימשך קרוב לשעה בחור השחור שבמרכז הגלקסיה שלנו. אולם יתכן שיהיה קשה לראות תוצאים כאלו בתמונות של טלסקופ אופק האירועים שכן הוא משלב תצפיות של כמה שעות ויוצר תמונה ממוצעת שלהן. מצד שני, זמן התנודה הרלוונטי עבור החור השחור ב-M87, שגדול ממנו פי יותר מאלף, הוא כבר בסדר גודל של עשרות ימים.

LIGOגלאי גלי הכבידה ליגו. נחוץ מידע עשיר | צילום: Science Photo Library

המחקר הזה מעיד שעלינו לחפש עיוותים כאלה באמצעות תצפיות של טלסקופ אופק האירועים שיימשכו יותר זמן מטווח שבעת הימים שבו התחיל הפרויקט. אם הניסוי ימצא עיוותים כאלה, הם יספקו נקודת מוצא יוצאת מן הכלל לפיזיקת הקוונטים של חורים שחורים. אם הם לא יופיעו, יהיה בזה כדי להצביע על התרחיש החמקמק יותר – התרחיש הקוונטי החלש – או על משהו עוד יותר אקזוטי ממנו.

את התרחיש החלש הבלתי אלים קשה יותר להעמיד למבחן, שכן השינויים הצפויים בגיאומטריה הם קטנים יחסית. אולם בדיקה ראשונית מראה שהתרחיש הזה יכול לשנות את האופן שבו גלי כבידה נבלעים או מוחזרים, וייתכן שזה ייצור שינוי ניתן לצפייה באותות גלי הכבידה.

אם אחד התרחישים האלה מדויק, אזי לא רק שנלמד יותר על מהותם של חורים שחורים, אלא גם על חוקי הטבע העמוקים יותר. נכון לעכשיו איננו מבינים לגמרי איך לחשוב על לוקליזציה של מידע בסביבה שיש בה שדות כבידה. פיזיקת הקוונטים מעלה את האפשרות שהמרחב-זמן עצמו איננו מרכיב יסודי של הפיזיקה, אלא שהוא צומח רק מתוך קירוב של מבנה מתמטי בסיסי יותר. ראיות שיצביעו על תוצאי חור שחור קוונטיים יוכלו לעזור לשפוך אור על הרעיון הזה.

כדי שנוכל ללמוד יותר, חשוב להרחיב ולשפר גם את ביצועי טלסקופ אופק האירועים וגם את מדידות גלי הכבידה. במה שנוגע לטלסקופ, מומלץ להפיק תצפיות שיימשכו הרבה יותר זמן, וכן תמונות של מטרות אחרות, כגון החור השחור שבמרכז הגלקסיה שלנו. שני השינויים הללו עומדים על הפרק.

במה שנוגע לגלי כבידה, נזדקק לתצפיות נוספות ברגישות גבוהה יותר, והן יקבלו דחיפה נוספת כשגלאים חדשים יתחילו לפעול ביפן ובהודו, ויצטרפו למתקנים הקיימים בארצות הברית ובאירופה. יתרה מזאת, נחוצה עבודה תיאורטית משלימה ונמרצת שתלטש את התרחישים, תבהיר יותר את מקורותיהם ואת ההסברים שלהם, ותספק הערכות מקיפות יותר לשיעור שבו הם יכולים להשפיע על טלסקופ אופק האירועים או על אותות גלאי הכבידה.

יהיה פתרון המשבר אשר יהיה, החורים השחורים מחזיקים ברמזים חיוניים לפיזיקה הקוונטית הבסיסית של הכבידה, ואף לעצם טבעם של המרחב והזמן. ממש כמו התהליך שהוביל מהאטום למכניקת הקוונטים, מתברר ששיפור בהבנת החורים השחורים יסייע להוביל את המהפכה המושגית הבאה בפיזיקה. יש בכוחם של טלסקופ אופק האירועים ושל תצפיות גלי הכבידה להעניק לנו מידע חיוני, אולי על ידי ביטול תרחישי חור שחור קוונטי ואולי דווקא על ידי גילוי תופעות חדשות הכרוכות בהם.

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון דצמבר 2019 של כתב העת סיינטיפיק אמריקן

לקריאה נוספת

  • Particle Creation by Black Holes. Stephen W. Hawking in Communications in Mathematical Physics, Vol. 43, No. 3, pages 199–220; August 1975.
  • Jerusalem Lectures on Black Holes and Quantum Information. Daniel Harlow in Reviews of Modern Physics, Vol. 88, Article No. 015002; February 2016.
  • Black Holes in the Quantum Universe. Steven B. Giddings in Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 377, Article No. 20190029; November 2019.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

  • Burning Rings of Fire. Joseph Polchinski; April 2015.

 

4 תגובות

  • שיהיה

    הזמן הוא רציף או בדיד?

    האם הזמן עצמו הוא דבר רציף או בדיד? נניח, אם נירה בו זמנית שני פוטונים על חלקיק כשאחד מהם נירה מחצי המרחק. האם הקרוב יותר יפגע קודם בחלקיק או ששניהם יפגעו בו באותו הזמן? או שאולי לא ניתן לדעת בכלל מי פגע קודם בקבועי זמן כאלה?

  • ד.

    הדוגמה לא שייכת לשאלה

    הניסוי המוצע לא קשור לרציפות אות לבדידיות של הזמן. אם ניתן לחלק את המרחק לשניים ("נורה מחצי המרחק") אז אפשר לחלק גם את זמן תנועת הפוטון (במהירות הקרובה למהירות האור) לשניים והפוטון שנורה מחצי מרחק ובאותה מהירות יפגע במטרה לפני הפוטון שנורה ממרחק מלא.

  • אלעד

    האם ההסבר כי חור שחור הינו

    האם ההסבר כי חור שחור הינו חור תולעת לא יכול לפתור את כל השאלה כאן? כך שבמידה והוא אכן חור תולעת הוא מתיישב עם תורת המייתרים שחוזה יקומיים מקבילים ומתיישב עם תורת הקוונטים כי בעצם אין איבוד מידע אלא העברתו ליקום מקביל למשל, או אולי למיקום אחר ביקום שלנו. והוא מתיישב גם עם הייחסות כי בעצם הוא אינו מפר את עיקרון הלוקליות וחומר לא נע מהר יותר ממהירות האור.

  • אליאור

    התיאוריה קיימת, אך היא לא

    התיאוריה קיימת, אך היא לא תיאוריה "טובה" כי אי אפשר לאמת אותה.
    לצורך העניין זה כמו לענות על השאלה "למה יורד גשם?" כי ככה אלוהים רצה. אולי, אבל אין שום דרך לאמת את זה.