השערת הצנזורה הקוסמית

השערת הצנזורה הקוסמית (באנגלית: Cosmic censorship hypothesis) היא השערה שהועלתה בשנת 1969 על ידי הפיזיקאי הבריטי רוג'ר פנרוז, לפיה כל סינגולריות כבידתית נמצאת מאחורי אופק אירועים, כלומר בתוך חור שחור או חור לבן.

סינגולריות וחורים שחורים

בשנת 1965 הוכיח פנרוז, בשיטות טופולוגיות, כי בתוך כל חור שחור יש לפחות נקודה סינגולרית אחת, שצפיפות החומר בה אינסופית. בהתאם למשפט זה, כל כוכב שקורס לחור שחור, סופו ליצור סינגולריות. עקב אופי המרחב-זמן בתוך חורים שחורים, הסינגולריות נמצאת בעתידו של כל עצם אשר חצה את אופק האירועים מבחוץ פנימה, או שהיה בתוך אופק האירועים מלכתחילה. במילים אחרות, בתוך אופק האירועים תתרחש תנועת חומר אל הסינגולריות.

ההשערה

לאחר הוכחת היותו של כל חור שחור "בית-קיבול" לסינגולריות, נותרה פתוחה השאלה אם כל סינגולריות בהכרח מוקפת באופק אירועים מסביבה, אשר מונע מצופה חיצוני לצפות בה או לחוש בנוכחותה. בהתאם ל"משפט האין-שיער" התקף לחורים שחורים, כל המידע שצופה חיצוני, מעבר לאופק האירועים יכול להבחין בו לגבי החור השחור הוא מסתו, מטענו והתנע הזוויתי שלו. לכן, מבחינת צופה חיצוני אין משמעות לקיומה של הסינגולריות.
בתוך אופק אירועים קיים מרחב-זמן (מטריקה) מיוחד, שבו זמן ומרחב "משנים תפקיד". כשם שמחוץ לחור השחור "מחר בשעה 12 בצהריים" הוא זמן שכל אחד מאיתנו יגיע אליו תוך מעבר מרחק סופי ממיקומו באותו רגע, כך עבור עצם שנמצא פנימה לאופק האירועים, הסינגולריות היא מקום שהעצם יגיע אליו תוך זמן סופי. קיומה של סינגולריות שאיננה מוקפת באופק אירועים, הקרויה גם סינגולריות עירומה, יגרום לפרדוקס, הנובע מכך ש"המטריקה ההפוכה" תהיה תקפה בכל מקום ביקום.
את הפרדוקס ניתן להדגים בצורה הבאה. נניח שעצם מסוים יגיע לסינגולריות תוך זמן סופי t. מתורת היחסות הכללית נובע שהזמן עבורו ייעצר בסינגולריות, ושעונו יראה שם רק זמן t. כעת נניח שעצם אחר מגיע לסינגולריות בזמן מאוחר יותר - T, ועל כן בסינגולריות שעונו יעצר על זמן T. יש לשים לב שלא הייתה בעיה כל עוד שני העצמים היו בנקודות מרחב שונות, אבל ברגע בו העצם השני מגיע גם הוא לסינגולריות אז מערכות הייחוס שלהם מתלכדות. האם שני העצמים נפגשו בסינגולריות? אם התשובה חיובית, אז כיצד זה ייתכן שהעצמים נוגעים זה בזה אבל נמצאים בזמנים שונים? אם התשובה שלילית, אז לאן נעלם העצם הראשון שהיה בסינגולריות? לפנינו פרדוקס.
ההשערה של פנרוז, לפיה "סינגולריות עירומה" לא תיתכן, מונעת את הפרדוקס, לפחות עבור צופים חיצוניים מחוץ לאופק האירועים. השערה זו מכונה גם השערת הצנזורה הקוסמית החלשה. יש להעיר, שסינגולריות שלפניה (או אחריה) הזמן לא מוגדר, כמו המפץ הגדול, אינה גורמת לפרדוקס, ואין צורך ב"צנזורה קוסמית" כדי להגן עלינו מפניה.

השערת הצנזורה הקוסמית החזקה

הגרסה החלשה של השערת הצנזורה הקוסמית, אשר מונעת את הפרדוקס מחוץ לאופק האירועים עדיין מאפשרת אותו ליד הסינגולריות, פנימה לאופק האירועים. כדי למנוע היווצרות מצב פרדוקסלי במקום כלשהו ביקום העלה פנרוז בשנת 1978 את השערת הצנזורה הקוסמית החזקה, שטוענת כי שום צופה שמשוואת איינשטיין תקפה לגביו אינו יכול לראות "סינגולריות עירומה". כלומר, גם גוף שנמצא בתוך אופק האירועים לא יוכל להבחין ב"סינגולריות עירומה", אלא אם משוואת איינשטיין, כלומר תורת היחסות הכללית, אינה תקפה שם.
השערה זו שומרת על העקביות של תורת היחסות הכללית בכל מקום, ואפילו בתוך חורים שחורים, אבל היא מצריכה תאוריה חדשה שתסביר את אשר מתרחש בקרבת הסינגולריות. תאוריה עתידית כזו מכונה כיום כבידה קוונטית. אפשרות נוספת, המסתדרת אפילו עם הגרסה החזקה של הפרדוקס, היא אי-קיומן של נקודות סינגולריות מלבד סינגולריות התחלתית (המפץ הגדול) וסינגולריות סופית (הקריסה הגדולה). אפשרות זו פחות מקובלת על החוקרים, עקב ריבוי הראיות לקיומם של חורים שחורים ביקום.

מצב המחקר כיום

הן הגרסה החלשה הן הגרסה החזקה מהוות אתגר גדול לפיזיקה התאורטית, ועד היום (2010) לא נחזתה פריצת דרך בהוכחת או בהפרכת כל אחת מהגרסאות. ההישג היחיד היה בתחום ההדמיות הממוחשבות. כך למשל, בשנת 1993 הצליחו חוקרים לדמות מצב של יצירת סינגולריות עירומה, כאשר לצורך ההדמיה נבחר פיזור של חלקיקים סקלריים (בעלי ספין אפס) וחסרי מסה שהיו מפוזרים במרחב בפיזור סימטרי כדורי. נקודת החולשה וחוסר הכלליות של ההדמיה נבעו מכך שתנאי השפה שנבחרו היו מיוחדים מאוד - הם לא היו תנאי התחלה גנריים, כלומר לא ניתן היה למצוא קבוצה פתוחה של תנאי שפה שיאפשרו את יצירת הסינגולריות העירומה. למעשה, אם היו משנים את מיקומו של חלקיק בודד, אז ההדמיה לא הייתה מובילה ליצירת סינגולריות עירומה.

ההתערבות של הוקינג

בהתערבות מפורסמת משנת 1991 טען סטיבן הוקינג בזכות השערת הצנזורה הקוסמית, ולעומתו טענו הפיזיקאים ג'ון פרסקיל וקיפ תורן נגד ההשערה. נקבע שהמפסיד ירכוש עבור המנצח בגד ("על-מנת שהמנצח לא יהיה עירום"). עם פרסום תוצאות ההדמיות הממוחשבות דרשו פרסקיל ותורן את הפרס. הוקינג נכנע רק בשנת 1997 וטען שההפסד נבע מעניינים טכניים בלבד, כלומר נוסח ההתערבות לא היה מדויק. בכל זאת הוא שלח לידידיו חולצת טי ועליה הכתובת "Nature Abhors a Naked Singularity" ("הטבע בוחל בסינגולריות עירומה"), כפרפראזה למשפט מפורסם של אריסטו ("הטבע בוחל בוואקום"). באותה שנה נערכה התערבות חדשה, אלא שהפעם נדרש, מצד אחד - שתנאי ההתחלה יהיו גנריים, ומהצד השני - שההודאה בהפסד תהיה כנה.