Hawking: klasičnih črnih lukenj ni

Predstavljajte si, da ste na majhen prostor stlačili toliko mase, da je ubežna hitrost tega skupka višja od svetlobne hitrosti v vakuumu. Rezultat je črna luknja, ki je hkrati tako kontroverzen pojem v astrofiziki, da se znanstveniki o njem še vedno niso poenotili, po drugi strani pa tako prikladen, da se je prikradel tudi v vsakdanji jezik. Črne luknje obstajajo in so jih naši teleskopi v vesolju že opazili, a podrobnosti o njihovem delovanju so še daleč od dorečenega.

Ugledni britanski fizik Stephen Hawking je ta mesec predložil članek (ki še čaka na recenzentski postopek, peer review), v katerem razrešuje paradoks, ki nastane zaradi različnih napovedi, ki jih o dogajanju za dogodkovnim horizontom dajeta relativnostna teorija in kvantna fizika (malo bolj poljuden opis v Nature).

Ko se oddaljujemo od masivnega telesa, njegovo gravitacijsko polje upada in s tem se seveda zmanjšuje tudi ubežna hitrost z dane pozicije. Črna luknja ima ubežno hitrost višjo od svetlobne hitrosti, kar pomeni, da mora na neki razdalji od njenega središča ubežna hitrost upasti ravno na svetlobno hitrost. To oblo imenujemo dogodkovni horizont. Schwarzschildov radij opisuje, v kolikšno kroglo bi morali stisniti določeno maso, da bi bila ubežna hitrost ravno svetlobna. Za črno luknjo je torej dogodkovni horizont ravno Schwarzschildov radij.

Poučen miselni eksperiment opisuje, kaj bi se zgodilo z astronavtom, ki bi po nesrečnem slučaju padel v črno luknjo. Natančneje povedano, zanima nas, kaj bi se zgodilo, ko bi preletel dogodkovni horizont. Pri tem privzemimo, da se pogovarjamo o supermasivni črni luknji, kjer gravitacijski pospešek in gostota snovi na dogodkovnem horizontu nista posebej velika.

Po Einsteinovi relativnosti se ob prehodu dogodkovnega horizonta ne zgodi nič drastičnega. Pravzaprav je prelet dolgočasen, ker se ne spremeni nič. Astronavt, ki bi prosto padal proti središču, bi še vedno videl svetlobo iz okolice in daljave, gravitacijske sile ne bi bile tako močne, da bi ga plimske sile raztrgale. Za zunanjega opazovalca pa bi se astronavtovo potovanje zdelo čedalje počasnejše, nikoli pa ga ne bi videl pasti za dogodkovni horizont. Nesrečni astronavt tako sploh ne bi mogel ugotoviti, od kdaj naprej mu ni več rešitve. Šele ko bi se središču dovolj približal, da bi bile plimske sile dovolj močne, bi ga te raztegnile v špaget in naposled raztrgale na koščke.

(Bolj eksotične teorije poudarjajo, da se del mase lahko reši izza dogodkovnega horizonta, saj za pobeg ni potrebno doseči ubežne hitrosti, le dovolj mase moramo odmetavati s primerno hitrostjo. Recimo tudi rakete, ki jih izstrelijo z Zemlje, se ne premikajo z ubežno hitrostjo, ampak jih potiska odmetavanje goriva, tako da gravitacijskemu privlaku Zemlje pobegne le majhen del mase.)

Na koncu se opis prevede v informacijski paradoks. Ali črne luknje nepopravljivo in trajno uničujejo informacijo ali pa lahko uide, dasi predrugačena in neprepoznavna? Drugi zakon termodinamike, ki ga največkrat povzemamo v obliki, da toplota teče od toplega k hladnemu, a v resnici pravi, da se entropija vesolja ves čas veča, ni nič drugega, kot informacijski zakon. Količina informacije v vesolju se povečuje. Če bi objekt vrgli v črno luknjo in bi ta uničila informacijo, bi s tem znižali entropijo. Tu naleti relativnost na velike težave.

Kvantna fizika in splošna relativnost se ne gledata lepo in nikoli ne dajeta istih odgovorov; zato ju sprašujemo različna vprašanja. Če kvantno fiziko vprašamo, kaj se zgodi ob prestopu dogodkovnega horizonta, je odgovor povsem drugačen. Joseph Polchinski z Inštituta Kavli v Santa Barbari v Kaliforniji je namreč izračunal, da bi kvantni učinki na dogodkovnem horizontu poskrbeli, da bi astronavt spektakularno zgorel (poljudni opis na Nature). Na dogodkovnem horizontu bi nastal ognjeni zid (firewall). Ta rezultat se naslanja na Hawkingovo sevanje, ki ga napove kvantna fizika. Poenostavljeno rečeno gre za to, da se črna luknja lahko izseva, ker tudi na dogodkovnem horizontu spontano nastajajo pari delec-antidelec (kvantna fluktuacija) in če eden pobegne, bo drugi zmanjšal maso črne luknje. Hawking pravi, da je to sevanje naključno in ne prinaša informacije, kar paradoksa ne reši. Še vedno z vstopom v črno luknjo informacije nepovratno izgine, kar je v nasprotju s kvantno fiziko, boljše fizike pa kljub številnim poizkusom še nismo našli. Toda če bi bil pobegli delec nenaključno kvantno prepleten z vsebino črne luknje (tako bi se informacija ohranila), bi lahko iz črne luknje pronicala informacije, a to privede do drugega paradoksa, saj bi vpadla masa v tem primeru na dogodkovnem horizontu spektakularno zgorela (firewall paradox).

Hawking predlaga rešitev tega problema tako, da prečrta dogodkovni horizont. V svojem članku zapiše "Odsotnost dogodkovnega horizonta pomeni, da črni lukenj ni - v [klasičnem] smislu, da iz njih svetloba ne more pobegniti". Mediji so seveda pograbili le prvi del stavka, da črnih lukenj ni. To ni čisto res. Hawking trdi, da kvantni učinki v okolici črne luknje povzročajo tako visoke fluktuacije, da ostra ločnica med tostranstvom in pogubo, ki bi ji rekli dogodkovni horizont, ne obstaja. Hawking definira navidezni horizont (apparent horizon), ki se obnaša precej drugače in se lahko tudi razkroji. Skratka, Hawkingova teorija predpostavlja, da lahko iz črne luknje snov pobegne, ker so kvantne fluktuacije v okolici tako visoke, da se lahko navidezni horizont premika proti središču in omogoča masi, da uide.

Mnenja o zgolj štiri strani dolgem članku so deljena. Fizikalna srenja je razklana, saj so nekateri mnenja, da gre za elegantno rešitev paradoksa, drugi pravijo, da tudi navidezni horizont prinaša enake težave kot dogodkovni, medtem ko so tretji mnenja, da je vse skupaj na mlahavih temeljih, ker da so ustrezne fluktuacije za to teorijo v našem vesolju preredke. A dejstvo je, da še vedno zelo slabo razumemo, kaj se dogaja v okolici črnih lukenj in v njih, ker so tam pogoji tako zelo drugačni kot kjerkoli drugod. A niti uničevanje informacije niti ognjeni zid fizikom nista všeč, zato iščejo tretje poti. Ena izmed njih je pričujoča Hawkingova.