Stephen Hawking eldobja magától életművét, amelyben a fekete lyukakról szóló elméleteknek igencsak jelentős szerepe van? Nem egészen: a Cambridge Egyetem világhírű fizikusa, a legismertebb és legnépszerűbb élő tudós a világon egy kétéves paradoxont próbál megoldani, amely akkoriban felforgatta a tudományos közéletet. Közben megtudhatjuk azt is, mi a közös a fekete lyuk és az időjárás-előrejelzés között.
Nincsenek fekete lyukak, legalábbis abban az értelemben, ahogyan eddig gondoltunk rájuk – ha egy viszonylag ismeretlen fizikus jön elő ezzel a vakmerő elmélettel, valószínűleg csak legyint rá a tudományos élet. De mi van akkor, ha Stephen Hawking, a modern feketelyuk-elmélet egyik atyja állítja ezt? Ilyenkor már érdemes megállni egy pillanatra.
Az általánosan elfogadott elmélet szerint a fekete lyuk egy olyan óriási sűrűségű égitest, amelynek hatalmas tömege miatti gravitációja akkora, hogy úgynevezett eseményhorizont alakul ki körülötte. Az eseményhorizont az általános relativitáselméletben a téridőnek egy olyan határfelülete, amelyből nem jut ki semmi, még a fény sem. Egyszerűen szólva: az eseményhorizont miatt fekete a fekete lyuk, hiszen ha még a fényt is visszatartja a gravitáció, akkor feketének látjuk. Mint egy kozmikus egyirányú út, ahol minden bejuthat, de semmi sem jön ki.
| Jelenség | Általános relativitáselmélet | Kvantumfizika |
| Fekete lyuk | Kozmikus egyirányú út: minden bejut, semmi nem jut ki | Kiszökhet az energia és az információ |
| Eseményhorizont | Az eseményhorizont és a fekete lyuk határa ugyanaz | Az eseményhorizont és a látszólagos horizont nem feltétlenül esik egybe |
| Szerencsétlen űrhajós | Teste spagettiszerűen megnyúlik az eseményhorizonton | Beleütközik a tűzfalba és elég |
Stephen Hawking most ennek az eseményhorizontnak a létét kérdőjelezi meg. Tanulmányát az arXiv.org-ra töltötte fel a címe pedig Információmegőrzés és időjárás-előrejelzés fekete lyukaknak. A cím maga is magyarázatra szorul, de ehhez előbb el kell magyaráznunk Hawking korábbi elméletét.
Az általános relativitáselméletben semmi nem szökik ki a fekete lyukból – magyarázza Hawking. A kvantumfizikai törvények ugyanakkor azt mondják, az energia és az információ mégiscsak meg tud szökni a fekete lyukból.
Ennek az ellentétnek a feloldásával és pontos magyarázatával még adósok a fizikusok, hiszen olyan teóriára van szükség ehhez, amely egyesíti a gravitációs elméletet és a kvantumfizikát. Ilyen általános elmélet azonban még nincs, a fizikusok pedig próbálnak újabb és újabb elméletekkel előállni egyes jelentésekre, amelyek feloldhatják az ellentmondásokat.
Mit jelent az, hogy valami szökik a fekete lyukból? Stephen Hawking még 1974-ben azt állította, hogy amikor egy fekete lyuk létrejön, energiát kezd el kisugározni, és folyamatosan veszít a tömegéből. A kvantumfizika törvényeiből azt a következtetést vonta le, hogy a fekete lyukaknak hőmérsékletük van, tehát hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki, így veszítenek a tömegükből, és fokozatosan eltűnnek. Az elmélet némi pontosítás után mára elfogadottá vált a fizikusok körében, ma Hawking-sugárzásnak nevezik ezt a jelenséget.
A szivárgással a fekete lyukba bekerült információ is meg tud szökni, de roncsolt formában. Ha beleugrunk a fekete lyukba, minden információ meglesz arról, hogy nézünk ki, de felismerhetetlen állapotban. Olyan ez, mint az időjárás – és itt térünk vissza Hawking új elméletének címéhez. Elméletben pontosan meg lehetne jósolni, hogy milyen lesz az időjárás, hiszen meg tudjuk szerezni a szükséges információt, a gyakorlatban azonban ez túl bonyolult, ha pontosak akarunk lenni. Bonyolultabb a kiszökő információkból előállítani az eredetit, mint egy elégetett könyv hamujából rekonstruálni magát a könyvet.
Lépjünk tovább, de a szivárgásra emlékezzünk, mert még visszatérünk rá később. Nézzünk egy klasszikus példát, ami sok kérdést felvet a fekete lyukak mibenlétével kapcsolatban, és amire maga Hawking is utal a tanulmányában. Mi történik a fekete lyukba eső űrhajóssal?
Egészen Albert Einsteinig kell visszamennünk ahhoz, hogy ezt elmagyarázzuk. Az eseményhorizont elmélete szinte az általános relativitáselméletig nyúlik vissza. 1916-ban Karl Schwarzschild német csillagász bebizonyította, hogy az eseményhorizont matematikailag következik az általános relativitáselméletből. Az eseményhorizont szót is ő használta először; arra értette, hogy ha egy csillag a saját gravitációja miatt összehúzódik, akkor a szökési sebesség eléri, majd meghaladja a fénysebességet, vagyis egy ilyen égitestről a fény sem tud távozni. Érdekesség, hogy Schwarzschild még elképzelhetetlennek tartotta az ilyen égitestek létezését a valóságban, csak évekkel később mutatták ki a fekete lyukak létét.
Az általános relativitáselméletben egy fekete lyukba eső űrhajós ez eseményhorizont eléréséig semmit nem érez. Megnyúlik a teste, mivel a feje és a lába közötti gravitációs erő teljesen más lesz. A szerencsétlen űrhajós végül szétszakad, és teste a fekete lyukba hullik. Nagyon hosszú ideig ez volt az általánosan elfogadott elmélet.
A kvantumfizikával azonban összeegyeztethetetlen ez az elmélet. Két évvel ezelőtt, 2012-ben egy teljesen új teóriával állt elő Joseph Polchinski, a Santa Barbara-i Elméleti Fizikai Intézet húrelmélettel foglalkozó fizikusa. Szerinte a fekete lyukakba eső űrhajós nem nyúlik meg, mint egy spagetti, hanem egyszerűen elég az eseményhorizont közelében lévő tűzfalban. A kvantummechanika törvényei szerint ott ugyanis elemi részecskéknek kell nyüzsögniük, hiszen a fekete lyuk felé is halad anyag és szökik is onnan, vagyis valahol ezeknek a részecskéknek találkozniuk kell. Ez a nyüzsgés forró héjat alkothat, amelyet tűzfalnak neveztek el.
Polchinski elmélete tökéletesen megfelelt a kvantumfizika törvényeinek, de ellentmond az általános relativitáselméletnek. Utóbbi szerint ugyanis mindegy, hogy hova zuhan a test, jelen esetben az űrhajós. A szabadesésben haladóra ugyanis mindenhol egységesen hatnak a fizika törvényei, mindegy, hogy fekete lyukba esik, vagy éppen a csillagközi térben lebeg. Az einsteini fizika szerint ebből a szempontból az eseményhorizontnak teljesen átlagos helynek kellene lennie.
Itt lép képbe Hawking, aki megpróbálja feloldani az előbb felvázolt ellentétet, egy harmadik lehetőséget vázolva fel. Változatlanul hagyja a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet törvényeit, ehelyett azt állítja, hogy a fekete lyukaknak nincsen eseményhorizontja, amely tűzfalat alkothatna. Mégpedig azért, mert a fekete lyukak körüli téridő olyan vadul fluktuál, hogy nem hoz létre éles határvonalat. Az eseményhorizont helyett ő egy látszólagos horizontot képzel el: ez az a határ, ahonnan a fény nem tud kiszökni. Az általános relativitáselméletben a fekete lyuk széle és az eseményhorizont egy és ugyanaz, mert ebben a világban a fekete lyuk ugye változatlan, a kiszökni próbáló fény nem tudja elhagyni a fekete lyukat, örökre benne marad.
Más a helyzet akkor, amikor a fekete lyuk mérete változik a beáramló és kiszivárgó részecskék miatt. Ha tehát több anyag jut a fekete lyukba, akkor az eseményhorizont megdagad, és nagyobbra nő, mint a látszólagos horizont. Ha a Hawking-féle sugárzás miatt a fekete lyuk veszít tömegéből, vagyis összemegy, akkor elméletben az eseményhorizont kisebb lehet, mint a látszólagos horizont.
Hawking új elmélete tehát azt mondja ki, hogy a látszólagos horizont az igazi határ. És ebből következik a címben említett állítás is, hogy az eseményhorizont hiánya azt jelenti, hogy valójában nincsenek fekete lyukak – legalábbis abban az értelemben, hogy a rendszerből nem tud kiszökni a fény.
Stephen Hawking tanulmánya nagyon rövid, csak néhány soros, nem támasztják alá számítások, így egyelőre nehéz következtetéseket levonni belőle. De a területtel foglalkozó fizikusok felkapták a fejüket, és reagáltak rá. A Nature több elméleti fizikust megkérdezett Hawking felvetéséről. Don Page, az edmontoni Alberta Egyetem fizikusa már régóta foglalkozik a fekete lyukak kutatásával, a hetvenes években Hawkinggal is együtt dolgozott. Szerinte elfogadhatónak hangzik a Hawking által felvázolt kép, ráadásul nem is hangzik olyan radikálisnak, mint elsőre gondolnánk. De ezek nagyon erősen kvantumfizikai körülmények, ráadásul még arról sincs teljes egyetértés, hogy mi a téridő, arról nem is beszélve, hogy tényleg létezik-e olyan terület, amit eseményhorizontnak nevezhetünk.
Page alapvetően elfogadja Hawking elméletét, hogy egy fekete lyuk létezhet eseményhorizont nélkül, de szerinte kérdéses, hogy ez megoldja-e a tűzfalparadoxont. Hiszen a látszólagos horizont is okozhat olyan problémákat, mint az eseményhorizont. Probléma lehet például, hogy a látszólagos horizont akár meg is szűnhet. Ezzel azonban Hawking olyan elméletek előtt nyitja meg az ajtót, amelyek azt is állíthatják, hogy a fekete lyukból bármi kiszökhet.
Hawking semmit nem írt arról, hogy a látszólagos horizont eltűnhet, de Don Page továbbgondolva az elméletet azt állítja, hogy ha ez a látszólagos horizont egy olyan méret alá csökken, ahol összemosódik a kvantummechanika és a gravitációs hatások, akkor valószínűsíthető az eltűnése. Ezen a ponton minden előkerül, ami valaha is a fekete lyukba került, persze nem túl jó állapotban (lásd az információ szökését, amit korábban tárgyaltunk).
És még nincs vége. Ha Hawking elmélete helyes, akkor szingularitás sem létezik a fekete lyukak magjában. A szingularitás azt jelenti, hogy van egy olyan pont, ahol bizonyos fizikai mennyiségek, mint sűrűség, téridőgörbület végtelenné válnak. Ehelyett az anyag csak ideiglenesen marad a fekete lyukakban, folyamatosan közeledik a középpont felé, de soha nem éri el azt és nem roppan össze a középpontban.
Joseph Polchinski, a tűzfalelmélet megalkotója azonban kétségbe vonja, hogy a természetben létezhetnek fekete lyukak eseményhorizont nélkül. Olyan, mintha Hawking felcserélte volna a tűzfalat egy káoszfallal, a végeredmény nagyjából ugyanaz – mondta a New Scientistnek. Az a fajta vad fluktuáció a téridőben, amit Hawking említ, igencsak ritka a világegyetemben. Einstein gravitációs elméletében a fekete lyuk horizontja nem különbözik olyan nagy mértékben az űr többi részétől. Polchinski azt is hozzáteszi, hogy soha nem tapasztaltak még téridő-fluktuációt a szomszédságban (és itt persze a kozmikus szomszédságot érti), ez túl ritka ahhoz.
Hawking korábbi tanítványa, Raphael Bousso, a kaliforniai Berkeley Egyetem elméleti fizikusa szerint az új elmélet azt mutatja, hogy a fizikusok mennyire rémisztőnek találják a tűzfalelméletet. Ugyanakkor ő is óvatosan fogalmaz Hawking feltételezésével kapcsolatban. Az a feltevés, hogy nincsenek olyan pontok, ahonnan nincs visszatérés, bizonyos szempontból sokkal radikálisabb és problémásabb, mint a tűzfalak létezése. Persze az a tény, hogy még negyven évvel Hawking első munkájának megjelenése után is a fekete lyukakról és az információról vitatkoznak, azt mutatja, hogy rendkívüli jelentőségű kérdéskörről van szó.