Wpadacie do czarnej dziury. Horyzont zdarzeń właśnie minął, grawitacja rwie wszystko dookoła, ale wasz fantastyczny kombinezon trzyma ciało w całości. Zanim zdążycie się rozejrzeć, mijacie drugą, znacznie mniej znaną granicę. W tym miejscu czas i czasoprzestrzeń zamieniają się rolami, a wasz kamień rzucony przed siebie może wrócić i uderzyć was w plecy. Albo zamienić się w dynię. To nie jest scenariusz z powieści, lecz opis konsekwencji istnienia tak zwanego horyzontu Cauchy’ego, o którym przypomniał w majowym felietonie magazyn „New Scientist”.
Czym miałby być horyzont Cauchy’ego
Wnętrze czarnej dziury większość ludzi kojarzy z horyzontem zdarzeń, czyli punktem, za którym nie da się już zawrócić. Modele ogólnej teorii względności opisują jednak dodatkową, wewnętrzną granicę, zwaną horyzontem Cauchy’ego. Pojawia się ona tylko w czarnych dziurach obdarzonych ruchem obrotowym albo ładunkiem elektrycznym. W przypadku czarnych dziur astronomicznych warunek obrotu jest niemal pewny, bo obiekty te powstają z wirującej materii. Ładunek jest znacznie mniej prawdopodobny, bo w otoczeniu pełnym plazmy każda różnica potencjałów szybko się wyrównuje.
Za horyzontem Cauchy’ego czasoprzestrzeń staje się tak zakrzywiona, że pojawiają się w niej tak zwane zamknięte krzywe czasopodobne. Najprościej wytłumaczyć je jako pętlę w czasie zamiast w przestrzeni: podróżując pozornie „do przodu”, można wylądować we własnej przeszłości, a stamtąd wrócić do punktu wyjścia. Fizyka relatywistyczna od lat uznaje takie struktury za teoretycznie dopuszczalne.
Dlaczego to psuje całą fizykę
W codziennym świecie obowiązuje przyczynowość. Znając stan układu w jednej chwili, potrafimy przewidzieć, co stanie się z nim za chwilę, a potem za następną. Kamień leci tam, gdzie go skierowaliśmy, bo my go tam skierowaliśmy. Kwantowa mechanika podważa tę pewność w skali pojedynczych cząstek, ale w skali ludzkiej i kosmicznej determinizm trzyma się mocno.
Obecność zamkniętych krzywych czasopodobnych burzy tę pewność całkowicie. Skoro przyszłość może wpływać na przeszłość, znikają proste związki przyczynowo-skutkowe. W skrajnym scenariuszu opisywanym przez Leah Crane rzucony kamień mógłby wrócić do rzucającego, zmienić się w dynię albo zachować się w sposób, którego nie da się przewidzieć nawet z pełną wiedzą o jego stanie w chwili rzutu. To oznacza, że przewidywalność fizyki, ta cecha, która pozwala naukowcom w ogóle uprawiać naukę, za horyzontem Cauchy’ego po prostu nie obowiązuje.
Cenzura chronologiczna, czyli ratunkowa hipoteza
Skoro struktura łamie całą znaną fizykę, teoretycy od dawna szukają mechanizmu, który mógłby ją ukryć. Odpowiedzią jest hipoteza cenzury chronologicznej, będąca rozszerzeniem słynnej hipotezy cenzury kosmicznej. Ta ostatnia mówi, że osobliwość w centrum czarnej dziury musi być odcięta od reszty wszechświata, więc obserwator z zewnątrz nigdy nie widzi załamania się praw fizyki. Cenzura chronologiczna robi to samo dla rejonów pełnych zamkniętych krzywych czasopodobnych: ma je zamykać wewnątrz horyzontu, gdzie nie sięgnie żaden przyrząd i żaden sygnał.
Sama niesprawdzalność zjawiska ma być gwarancją, że reszta fizyki działa bez zakłóceń. Innymi słowy, wszechświat mógłby tolerować tak dziwne miejsca pod warunkiem, że nikt nigdy nie będzie w stanie ich zbadać z zewnątrz.
Czy da się to w ogóle zweryfikować
Nie bezpośrednio. Sami do takiego rejonu nigdy nie dotrzemy, a wysyłanie tam sond nie wchodzi w rachubę. Sprawdzenie hipotezy sprowadza się więc do pośrednich testów: czy czarne dziury rzeczywiście się obracają, czy mogą mieć ładunek i czy horyzont Cauchy’ego byłby w ogóle stabilny. Większość symulacji wskazuje, że w takim wnętrzu wystarczy najmniejsze zaburzenie, by horyzont się załamał, a wraz z nim pojawił się rodzaj rozciągniętej osobliwości, czyli strefy o nieskończonej gęstości energii. To kolejny argument, że realne obiekty wcale nie muszą zachowywać się tak jak matematyczne modele.
Zupełnie niezależnie od tych rozważań zespół Teleskopu Horyzontu Zdarzeń potwierdził już dawno, że czarne dziury w centrach galaktyk faktycznie się obracają. To jedyny z trzech potrzebnych warunków, który udało się zweryfikować obserwacyjnie.
Zostaje więc pytanie, nie odpowiedź
Horyzont Cauchy’ego pozostaje na razie bytem czysto teoretycznym, podobnie jak wiele innych konsekwencji ogólnej teorii względności w skrajnych warunkach. Nie wiadomo, czy czarne dziury w naturze kiedykolwiek tworzą takie struktury, a jeśli tak, to czy przetrwałyby wystarczająco długo, by miało to znaczenie dla otoczenia. Dyskusja wśród teoretyków trwa od dekad, między innymi w pracach dotyczących silnej hipotezy cenzury kosmicznej publikowanych w „Physical Review D”. Sam felieton w „New Scientist” nie przynosi nowego odkrycia, lecz w barwny sposób przypomina koncepcję, która wciąż odporna opiera się ostatecznemu rozstrzygnięciu.
