Balázs Richárd
Hawking szerint nem létezik eseményhorizont
Ha egy fizikus azt írná tanulmányában, hogy márpedig fekete lyukak nem léteznek - legalábbis abban az értelemben, ahogy ezeket az objektumokat sokáig elképzeltük - szinte mindenki csak legyintene egyet. Azonban amikor ezt egy olyan ember írja le, mint Stephen Hawking, akkor azért érdemes megállni néhány szóra.
Az arXiv-ra online elküldött tanulmányban a modern fekete lyuk elmélet egyik megalkotója az eseményhorizontot tekinti semmisnek, azt a láthatatlan határvonalat, ami elvileg minden fekete lyukat körülölel, és amin túl semmi, még a fény sem képes megszökni.
Hawking az eseményhorizont helyett egy sokkal barátságosabb "látszólagos horizontot" javasol, ami csak átmenetileg tartja fogva az anyagot és az energiát, majd elengedi, igaz egészen más formában. "A klasszikus elmélet szerint nem lehet kiszabadulni egy fekete lyukból. A kvantumelmélet azonban lehetővé teszi az energiának és az információnak a kiszökését" - taglalta Hawking a Nature szaklapnak, elismerve azt is, hogy a folyamat átfogó magyarázatához szükség lenne arra a rég áhított egységes elméletre, ami összefogja a gravitációt a természet többi alapvető erőivel, ez azonban már közel egy évszázada várat magára.
Január 22-én beküldött tanulmánya egy kissé az abszurd angol humorra jellemző "Információ megőrzés és időjárás előrejelzés fekete lyukak számára" címet viseli, melyben a Joseph Polchinski elméleti fizikus által felfedezett, úgynevezett tűzfal paradoxont próbálja megoldani, ami közel két éve okoz fejtörést a fizikusoknak.
Egy elképzelt kísérletben a kutatók feltették a kérdést: mi történik egy űrhajóssal, aki szerencsétlenségére beleesett egy fekete lyukba. Az eseményhorizontok Einstein általános relativitás elméletének egyszerű matematikai következményei, melyekre Karl Schwarzschild, német csillagász mutatott rá alig egy hónappal Einstein elméletének közzétételét követően, 1915 végén. Ennek fényében a fizikusok sokáig azt feltételezték, hogy az űrhajós boldog tudatlanságban áthalad az eseményhorizonton, anélkül, hogy tisztában lenne végzetével, mielőtt fokozatosan elkezdené befelé húzni a fekete lyuk gravitációja, folyamatosan nyújtva, mint egy spagettit, végül pedig összemorzsolná a szingularitás, a fekete lyuk elméletileg végtelen sűrűségű magja.
A helyzet részletes elemzése során a kaliforniai Kavli Intézet Polchinski által vezetett csapata felismerte, hogy a kvantummechanika törvényei, melyek a parányi részecskéket vezérlik, teljes egészében megváltoztathatják a szituációt. A kvantumelmélet szerint az eseményhorizontnak egy nagyenergiájú területnek kell lennie, egyfajta "tűzfalnak", ami ropogósra süti az űrhajósunkat - vagyis nem lesz belőle spagetti. Bár a halálnem aligha kellemesebb, Polchinskiék felvetése felkavarta a fekete lyukakkal kapcsolatos egyetértés állóvizét, mivel a tűzfal megfelel a kvantumtörvényeknek, ugyanakkor semmibe veszi Einstein általános relativitását, ami kimondja, egy szabadesésben haladónak egységesnek kell észlelnie a fizika törvényeit a világegyetemben, akár a csillagközi űrben lebeg, akár egy fekete lyuk közepe felé tart.
Most Hawking egy harmadik, meglepően egyszerű lehetőséget vázolt fel, ami nem bántja sem a kvantummechanikát, sem az általános relativitást. Ehelyett azt mondja, hogy a fekete lyukaknak egyszerűen nincs eseményhorizontjuk, ami tüzet foghatna. Állításának kulcsa, hogy a fekete lyuk körül a kvantumhatások által előidézett tér-idő fluktuációk túl hevesek egy éles határvonal létezéséhez.
Az eseményhorizont helyébe a fentebb említett "látszólagos horizontot" állítja, egy olyan felületet, melynek mentén a fekete lyuk magjától elinalni próbáló fénysugarak megtorpannak. Az általános relativitásban egy változatlan fekete lyuk esetében ez a két horizont azonos, mivel a fekete lyukból kiszabadulni próbáló fény csak az eseményhorizontig juthat, ahonnan nincs tovább, mintha egy mókuskerékbe került volna. A két-horizont elmélet nem teljesen új keletű, korábban Hawking Roger Penrose-zal, az Oxford Egyetem tudósával az általános relativitás alkalmazásával bizonyította, hogy a két horizont azonos. Az alapelveket tekintve azonban a két horizont mégis megkülönböztethető, ami segíthet a tűzfal paradoxon megszüntetésében, ezért vette elő újra Hawking.
Ha több anyagot szív magába a fekete lyuk eseményhorizontja duzzadni kezd és nagyobbra nő, mint a látszólagos horizont. Ezzel ellentétben, mégis ezt igazolóan az 1970-es években Hawking bebizonyította, hogy a fekete lyukak képesek lassan zsugorodni sugárzást lövellve ki, amit Hawking-sugárzásnak neveztek el. Ebben az esetben az eseményhorizont elméletben kisebb lesz a látszólagos horizonttól. Hawking új felvetése szerint a látszólagos horizont a tényleges határ, ami a kvantumfluktuációk hatására szintén változtathatja alakját, ezáltal a fény kiszökhet. "Az eseményhorizont hiánya azt jelenti, hogy nincsenek fekete lyukak - azoknak a rendszereknek az értelmezése szerint, melyekből a fény nem képes megszökni a végtelenbe" - írja Hawking.
"A Hawking által felvázolt kép ésszerűen hangzik" - nyilatkozott Don Page, a kanadai Alberta Egyetem fizikusa, aki az 1970-es években együtt dolgozott Hawkinggal. "Mondhatják, hogy túl radikális feltételezni, hogy nincs eseményhorizont. Ezek azonban erősen kvantumkörülmények, és az sem egyértelmű mi is valójában a tér-idő, arról nem is beszélve, hogy tényleg létezik-e egy meghatározható terület, amit eseményhorizontként jelölhetünk." Bár Page elfogadja Hawking felvetését, miszerint egy fekete lyuk létezhet eseményhorizont nélkül, megkérdőjelezi, hogy mindez önmagában elegendő-e a tűzfal paradoxon kiiktatásához. Véleménye szerint egy múló látszólagos horizont is előidézheti ugyanazokat a problémákat, amit egy eseményhorizont, legfeljebb egyfajta káoszhorizont képében.
Az eseményhorizonttal szemben a látszólagos horizont előbb vagy utóbb szétoszlik. Page attól tart, hogy Hawking megnyitja az utat egy olyan lehetséges forgatókönyv előtt, ami szerint elméletileg bármi kiszabadulhat egy fekete lyukból. Bár Hawking nem írja le tanulmányában pontosan hogyan tűnik el egy látszólagos horizont, Page szerint amikor egy adott méretre zsugorodik, amin a kvantummechanika és a gravitáció hatásai összemosódnak, valószínűsíthető az eltűnése. Azon a ponton, bármi esett is a fekete lyuk fogságába, kijut onnan, bár nem túl jó állapotban.
Amennyiben Hawking elmélete helytálló, akkor a szingularitás sem létezik a fekete lyuk magjában, helyette az anyag csak átmenetileg marad az eseményhorizonton túli területen, a fekete lyuk vonzásának köszönhetően fokozatosan mozogva befelé, azonban soha nem roppan össze a középpontjában. Az anyag információja nem semmisül meg, azonban erősen összekuszálódik, így amikor a Hawking-sugárzással kijut, egy teljesen más formát mutat, szinte teljesen lehetetlenné téve az eredetileg elnyelt objektum azonosítását. Hawking tanulmányában ezt ahhoz hasonlította, amikor jóval előre próbálják a meteorológusok az időjárást prognosztizálni. Elméletben lehetséges, de a gyakorlat szerint egészen pontosan szinte lehetetlen megoldani.
Nem szóltunk még Polchinskiről, aki szkeptikus az eseményhorizont nélküli fekete lyukak létezésével szemben. Szerinte a Hawking által említett heves fluktuációk túl ritkák az univerzumban. "Einstein gravitációjában a fekete lyuk horizontja alig különbözik az űr más részeitől. Soha nem tapasztaltunk tér-idő ingadozásokat kozmikus szomszédságunkban, egyszerűen túl ritkák nagy méreteken" - érvelt Polchinski.
Raphael Bousso, a kaliforniai Berkeley Egyetem elméleti fizikusa, Hawking egykori tanítványa szerint a tanulmány leginkább arra világít rá, mennyire "elrettentőnek" találták a fizikusok a tűzfalak potenciális létezését. "Az elképzelés, miszerint nincs olyan pont, ahonnan ne lehetne kiszabadulni egy fekete lyukból, bizonyos értelemben egy még radikálisabb probléma, mint a tűzfalak létezése" - mondta. "Azonban a tény, hogy még mindig ezeken a kérdéseken vitázunk 40 évvel Hawking első, a fekete lyukakról és az információról szóló tanulmányainak megjelenését követően, a dolog rendkívüli jelentőségét tükrözi."
Az arXiv-ra online elküldött tanulmányban a modern fekete lyuk elmélet egyik megalkotója az eseményhorizontot tekinti semmisnek, azt a láthatatlan határvonalat, ami elvileg minden fekete lyukat körülölel, és amin túl semmi, még a fény sem képes megszökni.
Hawking az eseményhorizont helyett egy sokkal barátságosabb "látszólagos horizontot" javasol, ami csak átmenetileg tartja fogva az anyagot és az energiát, majd elengedi, igaz egészen más formában. "A klasszikus elmélet szerint nem lehet kiszabadulni egy fekete lyukból. A kvantumelmélet azonban lehetővé teszi az energiának és az információnak a kiszökését" - taglalta Hawking a Nature szaklapnak, elismerve azt is, hogy a folyamat átfogó magyarázatához szükség lenne arra a rég áhított egységes elméletre, ami összefogja a gravitációt a természet többi alapvető erőivel, ez azonban már közel egy évszázada várat magára.
Január 22-én beküldött tanulmánya egy kissé az abszurd angol humorra jellemző "Információ megőrzés és időjárás előrejelzés fekete lyukak számára" címet viseli, melyben a Joseph Polchinski elméleti fizikus által felfedezett, úgynevezett tűzfal paradoxont próbálja megoldani, ami közel két éve okoz fejtörést a fizikusoknak.
Egy elképzelt kísérletben a kutatók feltették a kérdést: mi történik egy űrhajóssal, aki szerencsétlenségére beleesett egy fekete lyukba. Az eseményhorizontok Einstein általános relativitás elméletének egyszerű matematikai következményei, melyekre Karl Schwarzschild, német csillagász mutatott rá alig egy hónappal Einstein elméletének közzétételét követően, 1915 végén. Ennek fényében a fizikusok sokáig azt feltételezték, hogy az űrhajós boldog tudatlanságban áthalad az eseményhorizonton, anélkül, hogy tisztában lenne végzetével, mielőtt fokozatosan elkezdené befelé húzni a fekete lyuk gravitációja, folyamatosan nyújtva, mint egy spagettit, végül pedig összemorzsolná a szingularitás, a fekete lyuk elméletileg végtelen sűrűségű magja.
A helyzet részletes elemzése során a kaliforniai Kavli Intézet Polchinski által vezetett csapata felismerte, hogy a kvantummechanika törvényei, melyek a parányi részecskéket vezérlik, teljes egészében megváltoztathatják a szituációt. A kvantumelmélet szerint az eseményhorizontnak egy nagyenergiájú területnek kell lennie, egyfajta "tűzfalnak", ami ropogósra süti az űrhajósunkat - vagyis nem lesz belőle spagetti. Bár a halálnem aligha kellemesebb, Polchinskiék felvetése felkavarta a fekete lyukakkal kapcsolatos egyetértés állóvizét, mivel a tűzfal megfelel a kvantumtörvényeknek, ugyanakkor semmibe veszi Einstein általános relativitását, ami kimondja, egy szabadesésben haladónak egységesnek kell észlelnie a fizika törvényeit a világegyetemben, akár a csillagközi űrben lebeg, akár egy fekete lyuk közepe felé tart.
Most Hawking egy harmadik, meglepően egyszerű lehetőséget vázolt fel, ami nem bántja sem a kvantummechanikát, sem az általános relativitást. Ehelyett azt mondja, hogy a fekete lyukaknak egyszerűen nincs eseményhorizontjuk, ami tüzet foghatna. Állításának kulcsa, hogy a fekete lyuk körül a kvantumhatások által előidézett tér-idő fluktuációk túl hevesek egy éles határvonal létezéséhez.
Az eseményhorizont helyébe a fentebb említett "látszólagos horizontot" állítja, egy olyan felületet, melynek mentén a fekete lyuk magjától elinalni próbáló fénysugarak megtorpannak. Az általános relativitásban egy változatlan fekete lyuk esetében ez a két horizont azonos, mivel a fekete lyukból kiszabadulni próbáló fény csak az eseményhorizontig juthat, ahonnan nincs tovább, mintha egy mókuskerékbe került volna. A két-horizont elmélet nem teljesen új keletű, korábban Hawking Roger Penrose-zal, az Oxford Egyetem tudósával az általános relativitás alkalmazásával bizonyította, hogy a két horizont azonos. Az alapelveket tekintve azonban a két horizont mégis megkülönböztethető, ami segíthet a tűzfal paradoxon megszüntetésében, ezért vette elő újra Hawking.
Ha több anyagot szív magába a fekete lyuk eseményhorizontja duzzadni kezd és nagyobbra nő, mint a látszólagos horizont. Ezzel ellentétben, mégis ezt igazolóan az 1970-es években Hawking bebizonyította, hogy a fekete lyukak képesek lassan zsugorodni sugárzást lövellve ki, amit Hawking-sugárzásnak neveztek el. Ebben az esetben az eseményhorizont elméletben kisebb lesz a látszólagos horizonttól. Hawking új felvetése szerint a látszólagos horizont a tényleges határ, ami a kvantumfluktuációk hatására szintén változtathatja alakját, ezáltal a fény kiszökhet. "Az eseményhorizont hiánya azt jelenti, hogy nincsenek fekete lyukak - azoknak a rendszereknek az értelmezése szerint, melyekből a fény nem képes megszökni a végtelenbe" - írja Hawking.
"A Hawking által felvázolt kép ésszerűen hangzik" - nyilatkozott Don Page, a kanadai Alberta Egyetem fizikusa, aki az 1970-es években együtt dolgozott Hawkinggal. "Mondhatják, hogy túl radikális feltételezni, hogy nincs eseményhorizont. Ezek azonban erősen kvantumkörülmények, és az sem egyértelmű mi is valójában a tér-idő, arról nem is beszélve, hogy tényleg létezik-e egy meghatározható terület, amit eseményhorizontként jelölhetünk." Bár Page elfogadja Hawking felvetését, miszerint egy fekete lyuk létezhet eseményhorizont nélkül, megkérdőjelezi, hogy mindez önmagában elegendő-e a tűzfal paradoxon kiiktatásához. Véleménye szerint egy múló látszólagos horizont is előidézheti ugyanazokat a problémákat, amit egy eseményhorizont, legfeljebb egyfajta káoszhorizont képében.
Az eseményhorizonttal szemben a látszólagos horizont előbb vagy utóbb szétoszlik. Page attól tart, hogy Hawking megnyitja az utat egy olyan lehetséges forgatókönyv előtt, ami szerint elméletileg bármi kiszabadulhat egy fekete lyukból. Bár Hawking nem írja le tanulmányában pontosan hogyan tűnik el egy látszólagos horizont, Page szerint amikor egy adott méretre zsugorodik, amin a kvantummechanika és a gravitáció hatásai összemosódnak, valószínűsíthető az eltűnése. Azon a ponton, bármi esett is a fekete lyuk fogságába, kijut onnan, bár nem túl jó állapotban.
Amennyiben Hawking elmélete helytálló, akkor a szingularitás sem létezik a fekete lyuk magjában, helyette az anyag csak átmenetileg marad az eseményhorizonton túli területen, a fekete lyuk vonzásának köszönhetően fokozatosan mozogva befelé, azonban soha nem roppan össze a középpontjában. Az anyag információja nem semmisül meg, azonban erősen összekuszálódik, így amikor a Hawking-sugárzással kijut, egy teljesen más formát mutat, szinte teljesen lehetetlenné téve az eredetileg elnyelt objektum azonosítását. Hawking tanulmányában ezt ahhoz hasonlította, amikor jóval előre próbálják a meteorológusok az időjárást prognosztizálni. Elméletben lehetséges, de a gyakorlat szerint egészen pontosan szinte lehetetlen megoldani.
Nem szóltunk még Polchinskiről, aki szkeptikus az eseményhorizont nélküli fekete lyukak létezésével szemben. Szerinte a Hawking által említett heves fluktuációk túl ritkák az univerzumban. "Einstein gravitációjában a fekete lyuk horizontja alig különbözik az űr más részeitől. Soha nem tapasztaltunk tér-idő ingadozásokat kozmikus szomszédságunkban, egyszerűen túl ritkák nagy méreteken" - érvelt Polchinski.
Raphael Bousso, a kaliforniai Berkeley Egyetem elméleti fizikusa, Hawking egykori tanítványa szerint a tanulmány leginkább arra világít rá, mennyire "elrettentőnek" találták a fizikusok a tűzfalak potenciális létezését. "Az elképzelés, miszerint nincs olyan pont, ahonnan ne lehetne kiszabadulni egy fekete lyukból, bizonyos értelemben egy még radikálisabb probléma, mint a tűzfalak létezése" - mondta. "Azonban a tény, hogy még mindig ezeken a kérdéseken vitázunk 40 évvel Hawking első, a fekete lyukakról és az információról szóló tanulmányainak megjelenését követően, a dolog rendkívüli jelentőségét tükrözi."