Frekvenca X

Paradoks črnih lukenj

Dvom Stephena Hawkinga o obstoju črnih lukenj po mnenju večine fizikov ni bil pravilen.

Black hole
Črne luknje
foto: Latest Astronomy

Črne luknje že več desetletij preizkušajo meje znanosti. Veliko odmevov je pred kratkim izzval slavni britanski fizik Stephen Hawking s tezo, da črne luknje ob podrejanju kvantni teoriji v klasični obliki ne morajo obstajati.

Večina raziskovalcev Hawkingov dvom zavrača, med njimi je tudi ugledni argentinski fizik prof. dr. Juan Martín Maldacena, s katerim raziskujemo skrivnosti črnih lukenj.

“Gospod profesor, kaj točno so črne luknje in zakaj verjamemo, da obstajajo?”

“Črna luknja je območje prostora-časa, kjer se ta razteza zelo dramatično. Vemo, da snov spremeni obliko prostora-časa, to se na primer kaže v tem, da ura na površini Zemlje teče nekoliko hitreje v primerjavi z uro, ki je daleč stran od Zemlje. Gravitacija povzroči ukrivljenje prostora-časa. Razlika v meritvi časa obeh ur je v tem primeru zelo majhna, da bi jo lahko izmerili pa potrebujemo zares dobro uro.

Če pa se ura nahaja na površini črne luknje bi se v primerjavi z uro, ki je daleč stran, zdelo, da se je ustavila, torej je razlika med obema v tem primeru zelo velika. Zanimivo je, da je površina črne luknje zgolj navidezna površina, skoznjo lahko pademo ne da bi občutili kaj posebnega.

Črne luknje so razvpite tako zaradi svoje mogočne narave in slovesa neustavljivega požiralca planetov in zvezd, kot tudi zaradi dejstva, da stojijo na meji med dvema temeljnima stebroma sodobne fizike, ki sta znana kot teorija kvantne mehanike in Einsteinova teorija splošne relativnosti. Težava je v tem, ker sta ti dve teoriji za enkrat med seboj skregani in nekompatibilni, pri opisu črnih lukenj pa je potrebno upoštevati obe.

To površino imenujemo horizont črne luknje. Ko horizont enkrat prečkamo, se ne moremo več vrniti ven, znajdemo se v singularnosti, v področju izjemno velike ukrivljenosti znotraj črne luknje, iz njega ne moremo pobegniti.

Klasična fizika pravi, da ko nekaj pade v črno luknjo, je ne more nikoli več zapustiti. Niti svetloba ne more zapustiti črne luknje. To je tudi razlog za njeno ime, črna je torej, ker ne moraš videti ničesar kar bi prišlo iz nje.”

“Kaj pa pravite o zadnji teoriji Stephena Hawkinga, da bi lahko dejansko ušli iz črne luknje in da črne luknje kot takšne v bistvu ne obstajajo?”

“Hawking je naredil nekaj teoretičnih izračunov pri katerih je upošteval kvantno mehaniko in odkril, da kvantna mehanika napoveduje, da bi morale črne luknje oddajati sevanje. Podobno kot sevanje oddaja vsak predmet, ki je segret. Na primer, če imate v hiši radiator in položite nanj roko začutite, da je toplo, kar je posledica sevanja, ki prihaja v vašo roko. Podobno, kot sevanje, ki prihaja iz sonca in tako naprej.

Stephen Hawking je izračunal, da bi moralo iz črnih lukenj vseeno nekaj uhajati, kar je v nasprotju s tem, da črne luknje pogoltnejo vse, kar jim pride dovolj blizu. Po njegovi teoriji bi morale črne luknje namreč oddajati sevanje, ki mu pravimo Hawkingovo sevanje.

Torej ideja je bila ta, da iz črnih lukenj uhaja sevanje. Pri naravnih črnih luknjah je to sevanje izredno majhno in ga še ni bilo mogoče izmeriti. Tudi v principu bi ga bilo zelo težko izmeriti. Pri manjših črnih luknjah pa je ta efekt večji in lahko bi imeli tudi paradoksalno situacijo, ko bi imeli belo luknjo, ki je tako majhna, da bi oddajala vidno svetlobo.

Črne luknje torej nekaj izpuščajo in izgubljajo maso s tem, ko oddajajo to sevanje. Ker oddajajo sevanje oddajajo energijo in ker je energija isto kot materija v bistvu izgubljajo maso.

Foto: Nasa

Foto: Nasa

To sevanje izvira blizu obzorja črne luknje in ne vsebuje informacije o materiji, ki je padla v črno luknjo. Torej sevanje, ki ga oddaja črna luknja ne vsebuje informacije o materiji, ki je v črni luknji. Težava je torej sledeča – sodeč po pravilih kvantne mehanike mora biti informacija ohranjena.

Če dam primerjavo – če napišete pismo, to pismo vsebuje informacijo in če pismo raztrgate, bi si lahko naivno mislili, da ste to informacijo izgubili, a če ste dovolj potrpežljivi, lahko pismo ponovno sestavite in informacijo povrnete. To bi pričakovali po običajnih zakonih fizike.

Pri črnih luknjah pa informacija o snovi, ki je padla vanjo ostaja za horizontom na nedostopnem mestu. Težava je v tem, da pride do spopada med osnovnimi fizikalnimi principi. Kvantna mehanika zahteva, da mora priti informacija ven iz črne luknje, medtem ko struktura prostora-časa v črni luknji preprečuje informaciji, da bi prišla ven.

Za ta problem so bile predlagane različne rešitve. Hawking je sprva predlagal, da informacija v resnici ne pride ven, vendar bi to zahtevalo, da spremenimo zakone kvantne mehanike. Nato so nadaljnje raziskave, ki sem jih naredil tako sam kot drugi fiziki, dale opis črnih lukenj iz perspektive zunanjega opazovalca.

In ta opis je omogočal ohranitev informacije. Vendar pa je bil ta opis tudi čuden, ker se ni nič nanašal na notranjost črne luknje. To je mnoge prepričalo, da črna luknja, ne glede na to, kako deluje, vseeno ohrani informacije in da Hawkingova prvotna ideja ni bila pravilna.

To je prepričalo tudi Hawkinga, ki je pozneje svoj originalni argument tudi lastnoročno umaknil.”

Po Hawkingovi najnovejši interpretaciji pa kvantni učinki povzročajo, da se prostor-čas okrog črne luknje premočno spreminja, da bi lahko le-ta imela jasno obzorje. Neobstoj obzorja po Hawkingovem prepričanju pomeni, da črne luknje v klasičnem smislu ne obstajajo, saj vase ne bi pogoltnile materije za vse večne čase. Hawkingova ideja je naletela na mešan in buren odziv v fizikalni skupnosti in po prepričanju številnih znanstvenikov povzroča več težav in paradoksov, kot pa jih reši.

“Kaj nas črne luknje učijo in ali jih bomo kdaj dokončno pojasnili?”

“Zdi se, da je to zadosti konkreten problem, ki bi ga bilo mogoče razumeti, skozi leta je bil dosežen določen napredek. Sedaj, na primer razumemo, kako razložiti črne luknje od zunaj.

Zato mislim, da bo črne luknje nekoč mogoče dokončno razumeti. Če ne bi bil takšnega mnenja ne bi delal na tem področju. Znanstveniki moramo vedno biti optimistični.”

“Profesor Maldacena, hvala za vaš čas in pogovor!”

*Celoten intervju lahko poslušate tudi v izvirniku, v angleškem jeziku.