A Hawking, a világmindenség, meg minden

76 éves korában – éppen a nagy előd Albert Einsten születésnapján – meghalt a világ talán legismertebb tudósa, Stephen Hawking. Kollégái és a tudomány kedvelői világszerte gyászolják. A popkultúrát is megihlető karaktere, a súlyos betegségével folytatott sok évtizedes küzdelme, illetve az ennek ellenére egész életében kérlelhetetlenül folytatott tudománynépszerűsítő tevékenysége mind hozzájárultak Hawking ismertségéhez és népszerűségéhez. Mindezzel együtt tudományos érdemei is elvitathatatlanok, elméleti fizikai munkásságával kétségtelen alakítója volt az elmúlt fél évszázad tudományos gondolkodásának – még ha Hawking, a kulturális ikon ma már gyakran hajlamos is háttérbe szorítani Hawkingot, a tudóst.

Hawking legfontosabb kutatásaiban a fekete lyukakkal foglalkozott. A legnagyobb tudományos érdeme, hogy olyan alapvető, mégis nehezen összeegyeztethető fizikai elméletek összebékítésének szentelte az életét, mint a gravitáció, a kvantummechanika, a termodinamika és a kozmológia. Az általa űzött műfaj jellegéből adódik, hogy gyakorlati bizonyíték vagy éppen cáfolat csak elvétve akad az elméleteire – amelyek egy részét többen vitatják is –, a hatásuk azonban megkérdőjelezhetetlen.

Ősrobbanás: az univerzum szingularitása

Tudományos szempontból tökéletesen érdektelen, de egy nagy ember életére visszatekintve mégis stílszerű, hogy Hawking legelső nagyot robbant tudományos eredménye éppen az univerzum első nagy robbanásáról szólt.

Az univerzum keletkezésének ma elfogadott elmélete szerint az ősrobbanáskor az addig egyetlen, extrém sűrű pontba tömörödő anyag egyszer csak szétfröccsent a világba, mint valami kozmikus vulkán, a világegyetem pedig azóta folyamatosan tágul. Bár ez ma nagyjából általánosan elfogadott, a hatvanas években még olyan forró és képlékeny volt a téma, mint a kozmikus anyag a csillagok keletkezésekor.

Einstein általános relativitáselmélete azt jósolta, hogy az univerzumban kialakulhatnak szingularitások – vagyis olyan pontok, amelyekben a téridő görbülete végtelen –, amikor egy extrém nagy tömegű égitest összeroskad a saját gravitációs erejétől, és egyetlen végtelenül sűrű pontba tömörül. Egy Roger Penrose nevű matematikusnak sikerült elméleti úton bizonyítania, hogy ilyen szingularitások fekete lyukaknál valóban kialakulhatnak. Ezt az eredményt 1970-ben Penrose és Hawking egy közös tanulmányban az egész univerzumra kiterjesztette – és bumm, így lett az ősrobbanás.

Magát az ősrobbanás elméletét tehát nem Hawking találta ki, de azt igen, hogy ez a 13,8 milliárd évvel ezelőtti esemény olyan volt, mint egy fekete lyuk keletkezése visszafelé lejátszva.

Ez hülyeség, úgyhogy bebizonyítom

Ha ön egyvalamit tud a fekete lyukakról, az nagy valószínűséggel az, hogy olyan óriási bennük a gravitáció, hogy abból semmi, még a fény sem képes kitörni – éppen ezért feketék. Azt a határt, amelynek az átlépéséhez egy részecskének még a fénynél is gyorsabban kellene mozognia, eseményhorizontnak hívják. Márpedig a fénynél semmi sem gyorsabb, ezért a fekete lyukaknál feketébbet el se lehet képzelni.

Ez a felismerés viszont komoly kihívást jelentett egy régebbi és igen jól bejáratott fizikai törvénynek, a termodinamika második főtételének. Ezt többféleképpen szokás megfogalmazni, nekünk most az az érdekes, hogy kimondja: egy fizikai rendszer entrópiája csak növekedhet, semmiképp nem tud csökkenni. Az entrópia egy rendszer rendezetlenségének a mértéke. A fenti törvény tehát azt állítja, hogy minden fizikai rendszer olyan, mint egy lusta diák: ha rajta múlik, csak rendezetlenebb lesz. Például egy jégkocka, ha melegítik, magától vízpocsolyává olvad, de egy pocsolya soha nem fog magától jégkocka formájúvá rendeződni, hiába hűtik.

A fekete lyukakkal viszont az a probléma, hogy mindent elnyelnek, ami az útjukba kerül. Na de akkor mi lesz az elnyelt anyag entrópiájával? Mert ha azt is elnyelik, az univerzum mint nagy rendszer entrópiája csökkenne, ami borítaná a termodinamika alaptételét.

Hawking a maga részéről remekül együtt tudott élni ezzel a problémával. 1972-ben viszont a Princeton Egyetem egy fiatal hallgatója, Jacob Bekenstein előállt egy elmélettel. Azt állította, hogy a fekete lyukak is engedelmeskednek a termodinamika törvényeinek: az eseményhorizont mérete összefügg az entrópiával, amikor a fekete lyuk elnyel valamit, akkor az eseményhorizontja annyival növekszik, amennyi entrópia a rendszerből egyébként kiesne.

Hawking ezt kapásból hülyeségnek tartotta, és teljesen kiakadt attól, hogy az ő elgondolásai vezettek ehhez a képtelenséghez. Úgyhogy leült, hogy megcáfolja – de ehelyett olyannyira sikerült bebizonyítania, hogy a pontos matematikai összefüggést már ő számolta ki.

De ami ennél is fontosabb, hogy ez az áttörés – a Bekenstein-Hawking-entrópia – vezetett a legfontosabb eredményeként számon tartott felfedezéshez.

A fekete lyukak mégse teljesen feketék

Hawking alapvető problémája az volt, hogy ha a fekete lyukaknál is stimmel a termodinamika, akkor a folyamatnak hőleadással kellene járnia, márpedig a fekete lyukakból semmi nem távozik, tehát a hő sem.

Itt jön a képbe a kvantummechanika, amelyről itt most elég annyit tudni, hogy a hagyományos fizikának túl parányi világ jelenségeire keres magyarázatot. Eszerint a hagyományosan üresnek tekintett tér valójában nem is annyira üres: egy anyag-antianyag részecskepár folyamatosan és spontán módon létrejön benne. Csak olyan gyorsan ki is oltják egymást – mert az egyik energiája pozitív, a másiké negatív –, hogy érzékelni sincs időnk őket.

Hawking szerint ha egy ilyen részecskepár egy fekete lyuk közvetlen közelében bukkan fel, előfordulhat, hogy a negatív részecskét elnyeli az eseményhorizont, míg a nemezisétől elválasztott pozitív részecske szabadon sodródik a világűrben. Ez a még oly apró részecske eszerint mégis képes lehet elszökni egy fekete lyuk elől, és pozitív energiája a fekete lyuk hősugárzása. A jelenséget el is nevezték Hawking-sugárzásnak.

Bár kísérleti úton bizonyítani olyan nehéz, hogy a mai napig nem is sikerült – pedig pár éve felcsillant ennek a reménye –, ma már a legtöbb szakértő úgy gondolja, a Hawking-sugárzás valóban létezik. Mi több, ez az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika első és talán máig legismertebb keveréke, amely megnyitotta az utat a két elméletet egyesítő kvantumgravitáció felé.

A Hawking-sugárzásból egyébként az is következik, hogy a fekete lyukak előbb-utóbb megsemmisülnek. Az elnyelt részecske energiája ugyanis negatív, így az újabb és újabb ilyen részecskék elnyelésével a fekete lyuk energiája és tömege is fokozatosan csökken, míg végül egy kiadós robbanással elpusztul. Persze ha valóban így is van, ez a zsugorodás akkor is olyan apránként történik, hogy egy Nap tömegű fekete lyuk esetében az univerzum keletkezése óta eltelt idő se lenne elég rá.

Hawking az erről szóló 1974-es tanulmányában azt írta, egy kisebb fekete lyuk esetében ez a robbanás csillagászati mércével igen apró volna – csupán egymillió darab egy megatonnás hidrogénbomba erejének felelne meg.

A tévedés rövid története

Hawking legellentmondásosabb elmélete az az 1976-os állítása volt, hogy ha egy fekete lyuk megsemmisül, vele együtt elpusztul minden információ is mindarról, amit korábban elnyelt. Ez meglehetősen radikális elképzelés volt, a tudományos gondolkodásnak ugyanis kritikus része, hogy elméletben minden részecske története rekonstruálható a jelenlegi állapotából (még ha a gyakorlatban ez elég bajos is lenne). Ha viszont az információ képes csak úgy megsemmisülni, az ennek a gondolkodásnak az alapjait rázná meg.

Nem csoda, hogy sokan élesen ellenezték Hawking elképzelését, élükön egy Leonard Susskind nevű amerikai fizikussal. Ez a vita 1997-re odáig fajult, hogy Hawking fogadást kötött a témában egy másik kritikus kollégájával, a Caltechen dolgozó John Preskillel – és vesztett. Igaz, ennek a beismerésére 2004-ig kellett várni, amikor Hawking egy dublini konferencián bejelentette, hogy tévedett, az információ mégse semmisül meg a fekete lyukakkal. Ugyanakkor egy évvel később azt is  hozzátette , hogy hiába szerezhető vissza ez az információ, úgy megviseli a fekete lyukakban töltött idő, hogy úgyse nagyon tudunk mit kezdeni vele.

A fekete lyukak információs paradoxonja mindenesetre a mai napig megosztja a kutatókat. Maga Hawking egy 2015-ös konferencián az elnyelt információról azt állította, az az eseményhorizonton átlépve valójában nem jut el magáig a fekete lyukig, hanem ott helyben, az eseményhorizont felszínén kétdimenziós hologramba kódolódik. (A másik lehetőség szerinte, hogy az információ átkerül egy másik dimenzióba, de ezzel már erősen a sci-fi terepén járunk.)

Milyen fekete lyuk?

Ha az ember egész életében a fekete lyukakkal szöszöl, talán váratlan, ha fél évszázaddal később bejelenti, hogy azok talán nem is léteznek, legalábbis az eddig gondolt formában.

Hawking márpedig nagyjából ezt állította egy 2014-es tanulmányában. Azt írta, a fekete lyukakat az eseményhorizont helyett csak egy látszólagos horizont veszi körül, amely ahelyett, hogy mindent végleg elnyelne, csak ideiglenesen tartja bent, amit magába húz, hogy miután jól megrágta, később visszaköpje. “Az eseményhorizontok hiánya azt jelenti, nincsenek fekete lyukak – abban az értelemben, hogy a fény a végtelenségig csapdába esne bennük” – írta.

Nevezzük őket bárhogy, Hawkingnak kulcsszerepe volt az univerzum egyik legtitokzatosabb képződményének pontosabb megismerésében.

Azt hiszem, a legtöbb fizikus egyetértene abban, hogy Hawking legnagyobb hozzájárulása a jóslat, hogy a fekete lyukak sugárzást bocsátanak ki. [...] A fekete lyukak sugárzása olyan komoly talányokat vet fel, amelynek a megértésén még mindig keményen dolgozunk. Nem túlzás azt mondani, hogy a Hawking-sugárzás a rendelkezésünkre álló legnagyobb vezérfonal a kvantummechanika és a gravitáció összebékítésében, ami feltehetően az elméleti fizika legnagyobb mai kihívása

– mondta korábban Sean Carroll, a Caltech elméleti fizikusa.

Ezeknek a nehezen kiegyező nagy gondolatrendszereknek az összeegyeztetése vezethetne egy olyan átfogó rendszerhez, amelyet a mindenség elméleteként szokás emlegetni – nem csoda, hogy a Hawking életéről szóló 2014-es film is éppen ezt a címet kapta.