A Stephen Hawking újabb tanulmánya meglehetősen felkavarodott, sőt a Nature News arra is késztette, hogy kijelentse, hogy nincsenek fekete lyukak. Mint írtam egy korábbi bejegyzésben, nem egészen ez az, amit Hawking állította. Most azonban nyilvánvaló, hogy Hawking állítása a fekete lyukakkal kapcsolatban téves, mert a paradoxon, amelyet megpróbál kezelni, elvégre nem paradoxon.
Mindez arra vonatkozik, amit a fekete lyukak tűzfala paradoxonjának nevezünk. A fekete lyuk központi jellemzője az esemény horizontja. A fekete lyuk eseményhorizontja alapvetően a visszatérés helye, amikor egy fekete lyukhoz közeledik. Einstein általános relativitáselméletének elméletében az eseményhorizont az, ahol a tér és az idõ annyira megtorpant a gravitáció révén, hogy soha nem tudsz elmenekülni. Keresztül az esemény horizontján, és örökre csapdába esik.
Az eseményhorizontnak ez az egyirányú jellege régóta kihívást jelent a gravitációs fizika megértésében. Például egy fekete lyuk eseményhorizontja megsérti a termodinamika törvényeit. A termodinamika egyik alapelve, hogy semmi hőmérséklete nem lehet abszolút nulla. Még a nagyon hideg dolgok is sugároznak egy kis hőt, de ha egy fekete lyuk csapdába ejt, akkor nem ad hőt. Tehát egy fekete lyuk hőmérséklete nulla, ami nem lehet lehetséges.
Aztán 1974-ben Stephen Hawking bebizonyította, hogy a fekete lyukak a kvantummechanika miatt sugároznak fényt. A kvantumelméletben vannak korlátok arra, amit egy tárgyról lehet tudni. Például nem ismeri a tárgy pontos energiáját. Ezen bizonytalanság miatt a rendszer energiája spontán ingadozhat, mindaddig, amíg átlaga állandó marad. Amit Hawking bebizonyította, az a, hogy a fekete lyuk eseményhorizontja közelében részecskepárok jelenhetnek meg, ahol az egyik részecske csapdába esik az eseményhorizonton belül (kissé csökkenti a fekete lyukak tömegét), míg a másik sugárzásként elkerülheti a szivattyút ( fekete lyuk energiája).
Míg a Hawking sugárzás megoldotta az egyik problémát a fekete lyukakkal, újabb problémát hozott létre, amelyet a tűzfal paradoxonnak hívnak. Amikor a kvantumrészecskék párban jelennek meg, összefonódnak, vagyis kvantum módon kapcsolódnak egymáshoz. Ha az egyik részecskét a fekete lyuk megragadja, a másik pedig kiszabadul, akkor a pár összefonódott jellege megsérül. A kvantummechanikában azt mondanánk, hogy a részecskepár tiszta állapotban jelenik meg, és az eseményhorizont úgy tűnik, hogy megszakítja ezt az állapotot.
Tavaly kimutatták, hogy ha a Hawking sugárzás tiszta állapotban van, akkor sem képes sugárzni a termodinamika által megkövetelt módon, vagy nagyteljesítményű részecskékből tűzfalat hoz létre az eseményhorizont felülete közelében. Ezt gyakran tűzfalak paradoxonjának hívják, mert az általános relativitáselmélet szerint ha egy fekete lyuk eseményhorizontja közelében állsz, nem szabad észrevenned semmit. Az általános relativitáselmélet (az egyenértékűség elve) alapvető elképzelése megköveteli, hogy ha szabadon esik az eseményhorizont felé, akkor ne legyen feltörekvő tűzfal nagy energiájú részecskékből. Hawking a dokumentumában megoldást javasolt erre a paradoxonra azzal, hogy a fekete lyukaknak nincs eseményhorizontja. Ehelyett nyilvánvaló látóhatáruk van, amely nem igényel tűzfalat a termodinamika betartásához. Ezért a népszerû sajtóban kijelentették, hogy „nincs több fekete lyuk”.
A tűzfal paradoxona azonban csak akkor merül fel, ha Hawking sugárzása tiszta állapotban van, és a Sabine Hossenfelder múlt hónapban írt tanulmánya azt mutatja, hogy a Hawking sugárzás nem tiszta állapotban van. A cikkben Hossenfelder megmutatja, hogy ahelyett, hogy egy pár összegabalyodott részecske lenne, a Hawking-sugárzás két pár összefonódott részecske okozza. Az egyik belegabalyodott csapdába csapódik a fekete lyuk, míg a másik összekapcsolódó pár elmenekül. A folyamat hasonló a Hawking eredeti javaslatához, de a Hawking részecskék nem tiszták.
Tehát nincs paradoxon. A fekete lyukak sugározhatnak úgy, hogy összhangban álljanak a termodinamikával, és az eseményhorizont közelében lévő régiónak nincs tűzfala, csakúgy, mint az általános relativitáselmélet megköveteli. Tehát Hawking javaslata megoldást kínál egy létező problémára.
Amit itt mutattam, egy nagyon durva áttekintés a helyzetről. Néhány finomabb aspektusra ragaszkodtam. A részletesebb (és rendkívül világos) áttekintés érdekében nézd meg Ethan Seigel blogjában szereplő bejegyzését a Starts With a Bang! Nézze meg Sabine Hossenfelder blogjának Back Reaction blogját is, ahol maga a témáról beszél.
