Ha úgy hápog, mint egy fekete lyuk…

1546

Valósággal letarolta a tudományos hírrovatokat Stephen Hawking rövid elmélkedése az eseményhorizontok és a fekete lyukak létezéséről. Csakhogy mások időközben már feloldották a tűzfal-paradoxont – máshogy.

A fekete lyukak rejtélyes objektumok, amelyek a mai napig megmozgatják a kutatók és a nagyközönség fantáziáját is. A klasszikus elképzelés szerint a fekete lyukak olyannyira sűrű égitestek, hogy a szökési sebesség a közelükben átlépi a fénysebességet. Ennél egy fokkal pontosabb megfogalmazás, hogy a fekete lyukhoz közeledve a téridő görbülete végtelenné válik. Ez a felfogás szintén azt eredményezi, hogy akármerre indulna el egy fénysugár, mindig befelé fog haladni. A klasszikus elképzelés szerint a fekete lyukak mindig egy eseményhorizont mögött rejtőznek: ez az a távolság, amin belülről már nem jut ki információ. Ami már bent van, vagy éppen átmegy rajta, arról többé már semmit nem tudhatunk meg.

20140214_feketelyuk_tuzfal_kep1
Forrás: NASA / JPL-Caltech.

A fekete lyukak sokáig csak az általános relativitásból levezethető matematikai érdekességek voltak, de a 20. század második felétől a csillagászok egyre több gyanús megfigyelést tettek. Az űr egyes pontjairól erős rádió- és röntgensugárzást észleltek, de látható fényben semmi érdekes nem volt ott. Kölcsönható kettőscsillagokat találtak, a kölcsönhatást hajtó óriáscsillagok nélkül. A Tejút középpontjában úgy mozogtak a csillagok, mintha több millió napnyi anyagot kerülgetnének, de semmi nyoma sem volt azon a túl szűk helyen ilyesminek. Lassan egyértelművé vált, hogy a fekete lyukak – kicsik és szupermasszívak is – igenis létező, fizikai égitestek.

Ez pedig egy új problémát vetett fel. Ha a fekete lyukak tényleg feketék, vagyis semmi nem jut ki az eseményhorizonton, akkor a hőmérsékletüket pontosan abszolút nullának mérnénk. Ez ellentmond a termodinamika harmadik főtételének, amely szerint az abszolút nulla fok nem elérhető a természetben. Az ellentmondás onnan ered, hogy a fekete lyukakat klasszikus, folytonos fizikával kezeltük. Az általános relativitás szerint a téridő sima és folytonos, a tömeg és lendület/perdület pedig egzakt. Persze azóta tudjuk, hogy ez nem így van: nagyon kis skálákon a kvantumelmélet veszi át az irányítást. A két leírást egyelőre nem sikerült egy közös elméletbe egyesíteni, de összekapcsolhatóak. Stephen Hawkingnak sikerült először a kvantumtérelméletet görbült téridőre alkalmazva leírnia. Ennek a munkának az eredménye a Hawking-sugárzás leírása is: mivel a téridő maga is fluktuál, folyamatosan részecske-antirészecske párok jönnek létre, majd lényegében azonnal ki is oltják egymást. Ha azonban ez a horizonton történik, az egyik – csak az egyik – részecskét elnyelheti a fekete lyuk, a másik pedig távozik, mint egy új, valódi részecske. A külső szemlélő számára a fekete lyuk már nem is teljesen fekete.

20140214_feketelyuk_tuzfal_kep2
A Hawking-sugárzás: néhány részecskepár nem találkozik újra, az egyik tag az eseményhorizont (szürke henger) mögé kerül. Forrás: Oracle Thinkquest.

A Hawking-sugárzás megoldott egy problémát, de ahogy a kutatómunka során sokszor megesik, hozott helyette másokat. A sugárzás léte három feltevésen alapult:

  1. A Hawking-sugárzás tiszta kvantumállapotú részecskékből áll, nincs információvesztés amiatt, hogy az egyik fele a párnak elveszik a horizont mögött. (Ez a feltevés oldja fel a fekete lyukak információs paradoxonát.)
  2. Az eseményhorizont egy létező határolófelület, az általános relativitásnak megfelelően.
  3. Az eseményhorizont nem különleges hely a téridőben, a bezuhanó megfigyelő nem veszi észre, tovább halad a szingularitás felé (amíg a túl erős gravitáció szét nem szakítja). Ez is az általános relativitásból ered.

Kiderült, hogy a három feltevés együtt nem állhatja meg a helyét. Alaposabb vizsgálatokat követően a kutatók arra jutottak, hogy a bezuhanó megfigyelő nem haladhat át az eseményhorizonton, hanem megsemmisül, és részecskéi csatlakoznának az ott lévő, nagyenergiájú részecskék tengeréhez: ez a tűzfal-paradoxon. Vagyis a harmadik pont nem teljesül, az eseményhorizont egy kitüntetett ponttá válik a térben. Az sem vezet sok jóra, ha a tiszta kvantumállapotokat vetjük el: összefonódott részecskék esetén, ha az elszököttet valaki/valami megfigyeli, a másik sem pusztulhat el, hanem a horizont közelében marad, és építi a tűzfalat.

20140214_feketelyuk_tuzfal_kep2
Kép forrása: lordphenix2002, Photobucket,

A tűzfal-paradoxon leírása megrázta a fizikusok közösségét. Sokan, sokféleképp próbálták feloldani, úgy, hogy lehetőleg egyik feltevésről se mondjanak le. És itt jött a képbe Hawking. Amint a neve megjelent az arxiv.org-on, mindenki, köztük a Nature hírszerkesztői is rárepültek a cikkre, ami valójában egy alig kétoldalnyi eszmefuttatás, egy tavalyi előadás összefoglalója csupán. Hawking ebben arról elmélkedik, hogy az eseményhorizont mellett egy látszólagos horizont is található a fekete lyuk körül: az a távolság, ahol a távozni vágyó fénysugarak se előre, se hátra nem mozdulnak. Egy változatlan fekete lyuk esetében persze a két horizont ugyanaz, de a fekete lyukak változnak. Ha anyagot nyelnek el, az eseményhorizont kitágulhat. Ha azonban lassan párolognak a Hawking-sugárzás miatt, akkor az eseményhorizont a látszólagos horizont mögé húzódhat össze, vagy akár el is tűnhet. Voilá: ha nem az eseményhorizont a határ, a fekete lyuk sem fekete lyuk! Megszületett a bombasztikus cím is.

Persze ez csakis abban az esetben igaz, ha a fekete lyukat az eseményhorizontjával definiáljuk. Attól, hogy az eseményhorizont helyett a látszólagos horizont határolja a rejtett térrészt, még léteznek “látszólagos” fekete lyukak, olyan asztrofizikai objektumok, amelyek egy adott időszakban pont úgy viselkednek, mint egy fekete lyuk. Hawking szintén nem azt állította, hogy nincsenek asztrofizikai fekete lyukak: csak annyit, hogy a paradoxon feloldásához el kell vetni a tankönyvi, örök eseményhorizonton nyugvó definíciót. Csak éppen úgy fogalmazta meg, ahogy.

De itt még nincs vége a történetnek. Az elmúlt két évben a százas nagyságrendű cikkfolyamból kiemelkedik három, ami megoldja a paradoxont, csak épp nincs mindenki által ismert híresember a szerzők között. Az első, Samuel Braunsein, Stefano Pitandola és Karol Życzkowski (University of York) tollából, kimutatta, hogy a tűzfal annál lassabban jön létre, minél összefonódottabbak a részecskék kvantumállapotai. Rájöttek, hogy az összefonódás épp a horizonton a legnagyobb, vagyis a tűzfalnak lényegében végtelen időre van szüksége a felépüléshez. Amihez képest a 14,5 milliárd (vagy bármely még nagyobb szám) semmi. Tehát a hármas pont nem sérül. De mi van az elsővel, az információvesztéssel?

20140214_feketelyuk_tuzfal_kep4
Kép forrása: NIST.

Erik és Herman Verlinde (University of Amsterdam/Princeton) levezették, hogy ha két összefonódott részecskepárunk van, azonos lendülettel, a kint-bent párosítás felcserélhető, és a kinti és a benti párok is kezelhetőek külön-külön összefonódott párokként. Ezzel megszüntethető a horizonton átívelő összefonódás és nem épül fel tűzfal. Végül ezt az elképzelést Sabine Hossenfelder (Stockholm University) általánosította: kimutatta, hogy a cserélődésnek a horizonthoz igen közel meg kell történne, és jelentősen eltérő időpontokban létrejött részecskék között nem lehet összefonódás.

Vagyis a tűzfal-paradoxont az első pont, a tiszta kvantumállapotok elvetésével sikerült úgy feloldani, hogy attól nem állt a feje tetejére a klasszikus vagy a modern fizika. Csak hát ez sokkal nehezebben jut el a hírekbe, mert bonyolult, és mert a fenti neveket szinte biztos, hogy most hallotta először az olvasó (ahogy az író is), ellentétben Hawkingével. Ezzel pedig egy másik alapelvet sértettünk meg, időlegesen: a tudományos módszertanban csak a szakértelemnek lehet szerepe, a ranglétrának és az ismertségnek nem szabad(na) befolyásolnia egy állítás elfogadását.

Forrás: Nature, Starts with a Bang!, Backreaction

Hozzászólás

hozzászólás