Stephen Hawking: fekete lyuk márpedig nincs!

Rendkívül sokat köszönhet a kozmológia Stephen Hawkingnak. Róla nevezték el többek közt az ún. Hawking-sugárzást is, amelyet a fekete lyukak bocsátanak ki. Ennek ellenére a híres tudós ismét sokkolta kollégáit egy megdöbbentő kijelentéssel: Fekete lyukak márpedig nincsenek!

Ha ezt a rövid mondatot valaki leírja, azt instant hülyének nézi a világ java része. Könyörgöm, én hülyének érzem magam, hogy leírtam. Pedig ez az, amit Stephen Hawking állít. És őt hülyének nézni elég meredek dolog volna.

Szóval korunk egyik legnagyobb koponyája arra hívta fel a figyelmet kijelentésével, hogy ha a fizika két nagy oszlopa, ha úgy tetszik, arkánuma – az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet is helytálló, ebben az esetben a fekete lyuk létezik bár, de egyáltalán nem olyan, mint hittük, és egyáltalán nem annyira fekete.

Hawking, aki egyébként a mai fekete lyukkal kapcsolatos elmélet egyik atyja, úgy véli, ideje leszámolnunk az eddig dédelgetett fekete lyuk képünkkel. Annak is egy nagyon, nagyon speciális és meghatározó elemével elsőként: az eseményhorizonttal. Ez a fekete lyukat körülvevő határvonal, amin belülről már semmi, még a fény sem tud megszökni. A probléma az az eseményhorizonttal, hogy ha a kvantumelmélet igaz (és annak tűnik), akkor a mindent elnyelő, semmit ki nem engedő határvonal létezése ellentmond neki.

Ezért helyette Hawking egy másfajta horizont létét veti fel, egy afféle “megjelenési”, vagy “látható” horizontét. Ez valóban minden anyagot és energiát (azaz információt) elnyel, azonban csak ideig-óráig tartja magában, mielőtt kibocsátaná (igaz, valamiféle eltorzított változatban).

A Nature-nek Hawking elmondta:

“Nincs menekvés a klasszikus teória alapján egy fekete lyukból. A kvantumelmélet viszont megengedi, hogy energia és információ jusson ki egy fekete lyukból.”

Hogy ezt az egészet sikerüljön helytállón leírni, ahhoz egy olyan elméletre lenne szükség, amely egyesíti a gravitációt a többi alapvető természeti jelenséggel, ez viszont immár kb. egy évszázada nem sikerült a fizikusoknak (pedig volt néhány nagy koponya azért). Ezért a rendes magyarázat helyett jelenleg egy rejtélyt kaptunk.

A Fény című regény egy eseményhorizont nélküli szingularitás környékén is játszódik

Hawking január 22-én az arXiv rendszerébe töltötte fel esszéjét. A címe kb. annyit tesz, “Információmegőrzés és időjárás előrejelzés fekete lyukak esetében”.

Az írás célja az, hogy feloldja az ún. tűzfal-paradoxont, amivel már két éve nem tudnak mit kezdeni a fizikusok.

Ezt egy teoretikus gondolatkísérlet folyamán fedezték fel, amelyben azt vizsgálták, mi is történne egy űrhajóssal, akit az a kétes szerencse ér, hogy bezuhanhat egy fekete lyukba. Az eseményhorizont egy matematikai szempontból egyszerű következménye Einstein általános relativitáselméletének, amelyre a német csillagász, Karl Schwarzschild hívta fel Einstein figyelmét 1915-ös levelében. Akkor a fizikusok úgy vélték, az asztronauta épen átcsusszanna az eseményhorizonton, nem is lenne tudatában szörnyű végzetének, fokozatos behúzná a központ nagy erejű gravitációja – közben spagettivékonyra nyújtva a testét, aztán nedves csattanással összetörné a fekete lyuk feltételezett, végtelen sűrűségű magja, a szingularitás.

De Joseph Polchinski és csapata a Kavli Institute-ban arra jutott, hogy a kvantummechanika (amely a részecskék működését a legkisebb távlatokban írja le) törvényei alapján az űrhajós helyzete még ennyire sem rózsás. A kvantumelmélet szerint, mondják ők, az eseményhorizont egy hatalmas energiával teli régió, egy “tűzfal”, ami szegény űrhajóst már a belépéskor megsemmisítené.

Ez nem csak az asztronauta szempontjából rossz (bocs, Gelle-Klara Moynlin), hanem a tudományéból is: ez a tűzfal ugyanis teljesen megfelel a kvantummechanikai törvényeknek, azonban ellentmond az általános relativitáselméletnek, mely ha Amy szabadesésben levő személy, akkor a fizika törvényeit ugyanúgy észleli mindenhol az univerzumban, mindegy, hogy éppen bikiniben zuhan a medence felé vagy szkafanderben egy fekete lyuk irányába. Az einsteini kép szerint az eseményhorizontnak semmi különösnek sem szabad lennie.

Hawking az ellentétet egy döbbenetesen egyszerű, harmadik opció beiktatásával oldaná fel. Hogy a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet is rendben maradjon, szerinte egyáltalán semmiféle, se lángoló, se lángtalan eseményhorizont nem veszi körül a fekete lyukakat (azaz, innentől csak simán lyukakat ezek szerint), ugyanis a kvantumhatások miatt a téridő túl erős fluktuációban van az objektum körül ahhoz, hogy bármilyen jól behatárolható határvonal vegye körbe. Helyette Hawking szerint egy látható horizonttal van dolgunk (amire majd nyilván lesz egy szebb és jobb magyar szakkifejezés is egy szép napon), egy olyan felület, aminek mentén az elnyelt, szökni próbáló fény halad. Belül, mert kitörni ugye nem tud. Az általános relativitáselmélet szerint egy fekete lyuk esetében az eseményhorizont és ez a láthatósági horizont egybeesik, de az eseményhorizont további fény, sugárzás és anyag elnyelésével meg tud nőni.

Aztán Hawking 1974-ben rámutatott, hogy a fekete lyukak csökkenni is tudnak azzal, hogy szép lassan ún. Hawking-sugárzást szivárogtatnak ki magukból, és így lassan (és ezt a LASSAN-t csupa nagy betűvel írják) elfogynak és robbanásszerűen megszűnnek. Ebben az esetben a relativitás szerint az eseményhorizont kisebbé válik, mint a láthatósági horizont. Hawking új elmélete szerint pedig az egész eseményhorizont témát el lehet felejteni – csak a láthatósági horizont számít.

“Az eseményhorizont nemléte azt jelenti, hogy fekete lyukak nem léteznek, abban az értelemben, hogy olyan helyek volnának, ahonnan a fény nem tud a végtelenbe szökni.”

A kutatók szívesen elfogadnák, és megszabadulnának a tűzfal-paradoxontól, de van, aki úgy véli, hogy egy láthatósági horizont ugyanilyen ellentmondáshoz vezet majd a szimulációk során. Ráadásul az eseményhorizonttal szemben a láthatósági horizont egy idő után képes eltűnni. Azaz Hawking azt a lehetőséget boncolgatja, hogy BÁRMI ki tud jönni egy fekete lyukból. Bár Hawking nem fejti ki az esszéjében, hogy ez hogy történhet, a fekete lyuk zsugorodása folytán egyes kvantumhatások és a gravitáció együtt valóban feloszlathatja a határt. Ekkor bármi, ami benne volt a fekete lyukban, kilökődhet és visszatérhet a normális világba (bár ramaty állapotban, az igaz).

Ha ez igaz, lehet, hogy még csak szingularitás sincs a fekete lyukak közepén! (A szingularitás az ilyen objektumok központjában elhelyezkedő, végtelenül sűrű pont.) Ehelyett egy elég sűrű mag lenne benne, ami felé folyamatosan kúsznak a bekerülő mindenfélék a nagy grvaitációja miatt, de igazán soha nem csapódnának bele. Így a bekerülő anyagról való információ nem pusztul el, “csak” rendkívül eltorzul, mert Hawking-sugárzás formájában elszivárog. Így mire maga az anyag előkerül, lehetetlen lesz megmondani róla, hogy mi volt az egykor.

Mint egy könyv tartalmát megtippelni, amit elégettünk. Hawking így írja le a lehetségességét: mint jó előre megjósolni az időjárást. Lehetséges, ha ismerjük a szóba jöhető elemeket, de gyakorlatban ez csak tippelgetés, semmi pontossággal.

Polchinski, a tűzfal-paradoxont eredményező kutatás vezetője szerint Hawking valahol téved, ő úgy véli, az eseményhorizont eltörlését eredményező téridő fluktuációk túl ritkák a világegyetemben ahhoz, hogy ez így működjön. Ellene szól, hogy viszonylag kevés fekete lyukat figyelünk meg közelről, az, hogy a Föld környékén nem sok ilyen fluktuációt figyelhetünk meg, nem jelenti azt, hogy olyan extrém helyen, mint egy fekete lyuk pereme ne történhetne meg.

Raphael Buosso, a Calfornia Egyetem elméleti fizikusa, Hawking volt tanítványa rámutat: az egész elmélet és nagy hatása megmutatja, mennyire riasztónak látják a fizikusok ezeket a tűzfalakat (amelyek jó esetben csak a mai elméleti fizika egyik ágát lehetetlenítik el, nem mindkettőt). De Hawking megoldása neki sem tetszik: még radikálisabbnak és problematikusabbnak látja a fekete lyukakból megszökő anyag ügyét, mint a tűzfalat. De szerinte világosan látszik, mennyire jelentősek a fekete lyukak a fizika számára abból, hogy Hawking első fekete lyukakról és információról szóló esszéje után 40 évvel még mindig ilyen kérdéseket tárgyalnak meg.

nature nyomán