Lehet kiút a fekete lyukakból

A tudomány az elmúlt évtizedekben egy szörnyű és félelmetes démont formált a fekete lyukakból. Az ijesztő tulajdonságai pont az olyan tudományos fejtegetésből fakadtak, mint hogy a gravitációs szívóhatása olyan erős, hogy a kozmikus sötétségéből semmi, sem egy gondolat, sem egy fénysugár nem tud kiszabadulni.

De Stephen Hawking szerint ez nem így van. A tudós nemrég publikált egy tanulmányt; ezt kollégáival, a harvardos Andrew Stormingerrel, illetve Malcolm Perryvel, a Cambridge Egyetem kutatójával közösen írták. A tanulmány szerint van rá mód, hogy kijuthassunk a fekete lyukból.

Nem örökre szóló börtönök, ahogy valaha hittük. Ha úgy érzi, csapdába esett egy fekete lyukban, ne adja fel. Van kiút.

– mondta dr. Hawking egy tavalyi beszédében.

God does play dice

A fekete lyukak létezésére már Einstein általános relativitáselméletéből következtetni lehetett. Fekete lyukak akkor keletkeznek, ha egy véges tömeg a gravitációs összeomlás során egy kritikus értéknél kisebb térben sűrűsödik össze. Ilyenkor az anyag-összehúzódásért felelős gravitáció ereje minden más erőhatásnál nagyobb lesz, így az anyag egy pontba sűrűsödik össze.

Egyes kutatók szerint ez a gravitációs szingularitás: amikor a sűrűség, illetve a tér-idő görbület közel végtelenné válik. A szingularitást övező térben a gravitáció olyan erős, hogy még a fény sem tud elszökni belőle. Az örökkévalóságig tartó börtön a tudomány kedvelt metaforája volt a fekete lyukakra, Einstein relativitáselmélete ugyanis kimondta, hogy a fekete lyukakból semmi sem szökhet meg.

Aztán jött a kvantumfizika és Stephen Hawking.

A doktor 1974-ben publikált egy tanulmányt, amiben azt állította, hogy egy fekete lyuk a létrejötte után energiát sugároz, így folyamatosan veszít a tömegéből. A kvantumfizika törvényei alapján arra következtethetünk, hogy a fekete lyukaknak hőmérsékletük van, vagyis hősugárzást bocsátanak ki. Emiatt viszont csökken a tömegük, majd fokozatosan eltűnnek. A tovább pontosított elméletet más fizikusok is elfogadták; az így leadott sugárzást ma Hawking-sugárzásnak nevezik.

Platón a mélyűrben

A fekete lyukak már megfigyelhetők modern csillagászati módszerekkel – vagyis sikerült bizonyítékot találni a létezésükre –, de egy kérdés továbbra is foglalkoztatta a tudósokat: ha a fekete lyukak részecskékké és sugárzássá bomlanak, mi lesz mindazzal, ami beléjük került?

A kvantumfizika szerint a fekete lyukba hullott anyagok eltűnhetnek és átalakulhatnak. A velük kapcsolatos információk viszont sosem, mert ez sértené a mikroreverzibilitást – a folyamatok megfordíthatóságának elvét –, ami a hagyományos és a kvantumfizikában is alapvető tétel. Ez az ellentmondás a fekete lyukak információs paradoxonja.

Hawking szerint a fekete lyukból ugyan kijuthatnak az információk, csak éppen felismerhetetlen formában; ahogy fogalmazott, nehezebb a fekete lyukból kiszökő információkból előállítani az eredetit, mint egy elégetett könyv hamvaiból rekonstruálni a könyvet.

Az Univerzum, akár egy szuperszámítógép, képes rá, hogy nyomon kövesse, hogy egy autó zöld teherautó volt-e, a másik pedig egy piros Porsche, illetve hogy ezek anyagból vagy antianyagból készültek-e. Ezek a dolgok megsemmisülhetnek, de az információ – az alapvető fizikai attribútumaik - örökké létezni fognak.

Ez a paradoxon nemcsak az asztrofizikusokat izgatja. Ha ugyanis a kvantumfizika szabályai nem érvényesek a fekete lyukakra, akkor a többi törvénye mire lehet érvényes?

Alternatív unizverzum

Az új tanulmányban Hawking és kollégái azt állítják, hogy a fekete lyukba zuhanó anyagok egy alternatív univerzumba kerülnek. Hawking már tavaly is utalt rá, hogy a fekete lyukak nem az örökkévalóság börtönei: amik beléjük kerültek, valahol ki is jönnek.

Például egy alternatív univerzumban.

Hawking szerint ehhez egy hatalmas fekete lyuk kéne, ami lassan forog; így elképzelhető, hogy átjuthatnánk rajtuk egy másik univerzumba. De soha nem jöhetnénk vissza onnan, így – mondta Hawking – ő még úgy sem vállalkozna egy ilyen kísérletre, hogy egyébként izgatja az űrutazás gondolata.

Bár Hawking csak egy elméletet vázolt föl, a számításai helyesnek tűnnek, már más tudósok is jóváhagyták őket. A tanulmány azzal az alapfeltételezéssel foglalkozik, hogy a fekete lyukakba kerülő anyagok megsemmisülnek és mindörökre eltűnnek. Csakhogy az ezzel kapcsolatos információnak továbbra is léteznie kell, még akkor is, ha az objektumot a fekete lyuk teljesen elnyelte; ezt mondja ki a mikroreverzibilitás törvénye.

Az információs bunda

Na de mi történik az információval? Hogyhogy az nem semmisül meg a fekete lyukban? Az egyik elmélet szerint a fekete lyukakat egy finom szőrből (soft hair) álló gyűrű fogja körül, és ez tárolja a kérdéses információt.

Ez a szőr persze valójában nem szőr, hanem alacsony energiájú kvantumgerjesztések, amik magukkal hordozzák a jellegzetes mintázatát mindannak, amit a fekete lyuk magába szívott, még jóval azután is, hogy elpárolgott. Ezek a mintázatok olyanok, mint a pixelek az okostelefon kijelzőjén, vagy a hanglemez barázdái; megőrzik az információt mindenről, ami áthaladt a fekete lyuk eseményhorizontján, és eltűnt.

Hawking úgy jutott erre a következtetésre, hogy felismerte: két alapvető probléma volt az eredeti elméletével. Arra a téves feltételezésre alapultak, hogy

1. a vákuumban a kvantumgravitáció mértéke egyedi
2. és hogy a fekete lyukak körül nem alakulhat ki finom szőr (soft hair).

Hawking azóta felülvizsgálta a korábbi számításait, és most már biztos benne, hogya második pontban tévedett: a fekete lyukak körül igenis lehetnek finom szálak, amik az információt tartalmazzák.

Ez persze csak egy hipotézis, de Hawking számításait azóta felülvizsgálták, így a most közölt tanulmány pontosabb eredményt hozott, mint a korábbi. A Physical Review Lettersben megjelent tanulmánnyal kapcsolatban a tudósok megjegyezték, hogy ez még nem oldja meg az információs paradoxont, de eddig ez a legígéretesebb kezdeményezés.

Hűtsétek még a pezsgőt

Gary Horowitz, a Kaliforniai Egyetem fizikusa szerint az analízist nemcsak elektromágneses, hanem gravitációs mezővel is el kell végezni. A szerzők most is ezzel vannak elfoglalva, és a kezdeti számításaik szerint a tisztán gravitációs hatás esetén is hasonló végeredményt fognak kapni. Horowitz szerint ennél is fontosabb szempont, hogy a kutatók által bemutatott finom szőr, legalábbis elméletben, valószínűleg nem elég ahhoz, hogy mindenről információt tartalmazzon, ami a fekete lyukba zuhant.

Vagyis Horowitz szerint nem világos, hogy a szőr a fekete lyukba került anyagok információit tartalmazzák, vagy csak az elveszett anyag energialenyomatai. De azt ő is elismeri, hogy a megkezdett úton továbbhaladva további száltípusokat ismerhetünk meg, és ez idővel elvezethet az információs paradoxon megfejtéséhez. És az tényleg piros betűs ünnep lesz a fizikában.