Numerieke simulaties hebben natuurkundigen gewezen op het gebied van zwarte gaten waar de voorspelbaarheid van fysische wetten moet worden geschonden. In een dergelijke regio zijn de volgende toestanden van het systeem mogelijk niet het gevolg van de huidige, wat onmogelijk is in de Newtoniaanse mechanica en klassieke elektrodynamica. Een artikel met de resultaten is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
Gewoonlijk spreken fysische theorieën over het determinisme van de wereld, de voorspelbaarheid van de toekomst: als de beginvoorwaarden bekend zijn, dan kan men, met kennis van de fysische wetten, de toestand op elk moment in de toekomst berekenen. Zo'n theorie is bijvoorbeeld de Newtoniaanse mechanica. Hetzelfde geldt voor de klassieke elektrodynamica: als je precies weet hoe de elektrische en magnetische velden in de ruimte zijn verdeeld, kun je hun toestand op elk ander moment bepalen met de vergelijkingen van Maxwell. Zelfs in de kwantummechanica staat de Schrödingervergelijking geen willekeur toe: als we de golffunctie op het eerste moment precies kennen, spreekt het ondubbelzinnig over zijn tijdsevolutie op elk tijdsinterval.
In het nieuwe werk onderzoekt een groep theoretici onder leiding van Vitor Cardoso van de Universiteit van Lissabon de ineenstorting van een geladen ster in een zwart gat en modelleert dit fenomeen in het kader van de algemene relativiteitstheorie. Als gevolg hiervan blijkt dat in dit proces een gebied kan ontstaan waarvan de fysica niet kan worden voorspeld door de begintoestand van de ster te kennen.
Volgens een van de stellingen binnen het raamwerk van de algemene relativiteitstheorie is er een maximaal gebied van ruimte-tijd dat uniek wordt bepaald door deze beginvoorwaarden. Als dit gebied niet de gehele bestaande ruimte is, dan blijkt per definitie dat er gebieden zijn waarvan de toestand niet wordt bepaald door de aanvankelijke voorwaarden. De Engelse wetenschapper Roger Penrose formuleerde een hypothese die het principe van sterke kosmische censuur werd genoemd. Hij stelt dat dit niet kan gebeuren, dat wil zeggen dat het ondubbelzinnig definieerbare gebied geen deel uitmaakt van een grotere ruimte.
De vorming van een geladen zwart gat beschreven door de Reissner-Nordstrom-metriek schendt dit principe op het eerste gezicht, aangezien in dit geval de Cauchy-horizon wordt gevormd in het zwarte gat, tot waar de ruimte-tijd glad blijft, en daarbuiten kan het op oneindig veel manieren worden uitgebreid. Maar aan de andere kant is dit oppervlak onstabiel en elke verstoring vernietigt het, leidt tot de vorming van een singulariteit en rechtvaardigheid van het principe van kosmische censuur.
Het nieuwe werk onderzoekt de ineenstorting van een ster in een zwart gat met een bijna-beperkende lading, rekening houdend met de kosmologische constante (Λ-term in de vergelijkingen van Einstein). De term Λ is erg klein en wordt meestal alleen in kosmologische studies in aanmerking genomen, maar het is aangetoond dat een positieve waarde van Λ leidt tot een stabielere Cauchy-horizon. Als gevolg hiervan, zelfs als we rekening houden met de verstoringen, is de discrepantie tussen de ruimte-tijdparameters op de Cauchy-horizon niet groot, wat het mogelijk maakt om de Einstein-vergelijkingen zelfs aan de horizon op te lossen. Dit is in strijd met het principe van sterke kosmische censuur.
De krommingsdiscontinuïteit aan de Cauchy-horizon die wordt verkregen in de situatie van een beperkende lading en een positieve Λ-term is vergelijkbaar met een schokgolf in een vloeistof. Het blijkt dat een voldoende sterk lichaam erdoorheen zou kunnen dringen. Je kunt je een waarnemer voorstellen die in een zwart gat springt en de horizon van Cauchy oversteekt. In dit geval blijkt zijn toekomst onzeker.
Het bewijs van de validiteit van de uitgevoerde analyse is nog steeds vereist, aangezien de auteurs alleen de lineaire perturbatietheorie beschouwden. Het is ook vermeldenswaard dat astrofysische zwarte gaten met beperkende ladingen zich niet kunnen vormen, aangezien er geen zulke sterk geladen sterren zijn. De Cauchy-horizon komt echter ook voor bij roterende zwarte gaten, hoewel deze minder symmetrieën hebben. Ook hield het werk geen rekening met hypothetische kwantumeffecten, die in dergelijke gebieden sterk kunnen zijn.
Promotie video:
