Űrhajós hull fekete lyukba

2013.04.08. 10:40

Mi történne egy fekete lyukba zuhanó űrhajóssal, megsülne vagy szétszakadna? A válasz nem mindegy: ha megsül, akkor vele együtt füstbe megy az általános relativitáselmélet, ha viszont szétszakad a teste, akkor a kvantummechanikával nincs valami rendben.

A kérdésről nemrég a CERN-ben tanácskozó fizikusok egyelőre nem tudtak dönteni a két halálnem között. Abban biztosak, hogy a Nagy Hadronütköztetővel (LHC) végzett kísérleteik során nagyon kicsi a valószínűsége fekete lyukak keletkezésének, még kevésbé képzelhető el, hogy egy ilyen mesterséges fekete lyuk elnyelné a világunkat. Nem is a képzeletbeli űrhajós balsorsa aggasztja őket, hanem a bonyolult fizikai folyamatok következménye. Kompromisszumos megoldás lehet, ha az űrhajós a fekete lyuk külső széle fölött lebeg, felhasználja az onnan kiszivárgó kvantuminformációt, és úgy próbálja eldönteni, melyik elmélet a helyes. Az ügy matematikája azonban olyan bonyolult, hogy mire a kutatók megoldják a problémát, addigra az egész fekete lyuk elpárolog.

A fekete lyukak tűzfala

Nature beszámolója szerint a kérdés matematikai elemzését még tavaly márciusban végezte el Joseph Polchinski, a Santa Barbara-i (Kalifornia) Elméleti Fizikai Kavli Intézet húrelmélettel foglalkozó fizikusa. Az uralkodó felfogás szerint a fekete lyuk felé közeledő űrhajós az objektum felszínét jelentő eseményhorizont eléréséig semmit sem érez. A fekete lyuk méretétől függően órák, napok vagy hetek múlva a feje és a lába között már olyannyira különböző lesz a gravitációs erő, hogy teste megnyúlik (a jelenséget egyes ismeretterjesztő könyvekben spagettizálódásnak nevezik), majd szétszakad, és maradványai a fekete lyuk végtelenül sűrű magjába hullanak.

Az általános relativitáselmélet értelmében a fekete lyukak környezetében drasztikusan torzul a téridő szerkezeteForrás: Zamanda Yolculuk

Polchinski és munkatársai számításai azonban más eredményt adtak. Eredményeik szerint a kvantummechanikai hatások következtében a fekete lyuk eseményhorizontja közelében elemi részecskék tömege nyüzsög. A forró réteg - amelyet tűzhéjnak vagy tűzfalnak nevezhetünk (utóbbit azonban nem a szó informatikai, de nem is építészeti értelmében) - pillanatok alatt felperzsel bármit, ami csak belé hull. 2012 júliusában publikált eredményeik megrázták a fizika világát. Egy ilyen tűzhéj létezése ugyanis ellentmond az általános relativitáselméletnek, mert annak értelmében a gravitációs térben szabadon eső megfigyelő - bármilyen erős legyen is a tér - ugyanazt érzi, mintha szabadon lebegne a világűrben. Ha ez az alapelv sérül, akkor Einstein elmélete összeomlik.

Ennek tudatában Polchinskiék alternatív megoldást is felvázoltak, amelyben nem jön létre a tűzhéj. Ezért azonban nagy árat kellett fizetniük: fel kellett áldozniuk az elemi részecskék kölcsönhatásait leíró kvantummechanikát. Szakcikkek tömege reagált az eredményre, de senki sem tudott elfogadható kiutat találni. A helyzetet egyes fizikusok válságosnak ítélték, ezért ültek össze a kvantumgravitáció legkiválóbb szakértői a múlt hónapban a CERN-ben rendezett tanácskozásra. Remélték, hogy sikerül rájönniük, milyen irányban kellene keresni a kvantummechanikát a relativitáselmélettel összeegyeztető kvantumgravitációs elméletet, amelynek megalkotásával évtizedek óta hiába próbálkoznak a fizikusok.

Csillagtömegű fekete lyukak a csillagok végállapotaként jöhetnek létre. Akkor fedezhetők fel, ha kettős rendszerben jönnek létre és erős gravitációjuknál fogva anyagot szívnak magukhoz kísérőcsillagukból.Forrás: scienceblogs.com

Elpárolgó fekete lyukak és információs paradoxon

A tűzhéjválság gyökerei 1974-ig nyúlnak vissza, amikor Stephen Hawking a Cambridge-i Egyetemen bebizonyította, hogy bizonyos kvantumos hatások következtében a fekete lyukaknak hőmérsékletük van. Ezért a magára hagyott fekete lyuk - fotonok és más részecskék formájában - hőmérsékleti sugárzást bocsát ki, fokozatosan tömeget veszít, majd teljesen elpárolog. A relativitáselmélet értelmében az eseményhorizontot átlépő űrhajós nem érzékelheti ezt a sugárzást. Hawking eredménye mégis meghökkentő volt, mert addig úgy gondolták, hogy a fekete lyuk csak elnyelheti a tömeget, de nem párologhat. Később Hawking eredményeit pontosították, a lényeg azonban változatlan maradt, és ezt ma már a fizikusok döntő többsége elfogadja.

Egyidejűleg felbukkant azonban egy, a kvantummechanika számára kihívást jelentő paradoxon. A kvantummechanika szerint az információ nem pusztítható el, tehát elvben a fekete lyukból kijövő sugárzásból ki lehetne nyomozni, mi minden hullott bele a lyukba. Hawking szerint azonban a helyzet nem ilyen egyszerű, mert a kijövő sugárzás random, tehát véletlenszerű: bármilyen hosszú ideig figyelnénk a fekete lyuk sugárzását, nem tudnánk meg belőle a múltját. Ez a fekete lyukak információs paradoxona. A paradoxon két táborra osztotta a fizikusokat. Egyesek - köztük Hawking - szerint az információ ténylegesen eltűnik a fekete lyukban, és ha ez ellentmond a kvantummechanika törvényeinek, akkor pontosabb törvényekre van szükség. Mások kitartottak a kvantummechanika mellett.

Számítógépes szimuláció szerint a (fehér pontként ábrázolt) fekete lyuk így torzítja a környezetében lévő gáz szerkezetétForrás: NASA

Eddig nem találtak hibát a számításokban

Juan Maldacena, a Harvard Egyetem fizikusa 1997-ben felfedezte, hogy a Világegyetem bármely háromdimenziós (3D) tartománya leírható a tartomány kétdimenziós (2D) határán kódolt információval, hasonlóan ahhoz, ahogyan a 2D hologram a 3D tárgyakról az információt tárolja. Maldacena matematikai modellje szerint a húrokat és fekete lyukakat tartalmazó 3D univerzumban csak a gravitáció működik, ennek 2D határoló felületén viszont az elemi részecskék a közönséges kvantumfizikai törvényeknek engedelmeskednek, gravitáció nélkül. A 3D univerzum és a 2D felület jelenségei matematikailag kölcsönösen megfeleltethetők egymásnak. A hipotézis az információ paradoxonára is magyarázatot próbál adni.

Többen úgy gondolták, hogy ezzel sikerült is a paradoxont megoldani. Polchinskiék azonban nem nyugodtak ebbe bele. A helyzet tisztázásakor botlottak bele a már említett tűzhéjparadoxonba. A fekete lyukak párolgásának Hawking-féle képét és az információ paradoxonát a részecskék kvantummechanikai összefonódása teszi igazán bonyolulttá. Ezért számításaik során azt tételezték fel, hogy az összefonódás valamiképpen megszűnik - hasonlóan például a molekulák atomokká történő felszakadásához -, ám ez a folyamat a részecskék nagy száma miatt óriási mennyiségű energia felszabadulásával jár. Ez jelenti az eseményhorizontnál kialakuló tűzhéjat, amelyben minden elég, ami a fekete lyukba belehull. A kutatók cikke szerint tehát fizikusoknak választaniuk kell, vagy elfogadják a tűzhéj létezését és ezáltal az általános relativitáselmélet csődjét (ha az elmélet nem alkalmazható az eseményhorizontra, akkor ez egészében megkérdőjelezi az alkalmazhatóságát), vagy azt fogadják el, hogy a fekete lyukakban elvész az információ, ami a kvantummechanika csődjét jelentené.

Fantáziarajz egy fekete lyukról és környezetérőlForrás: dailygalaxy.com

Polchanski nem zárta ki a lehetőséget, hogy valamilyen buta hibát követtek el a számításaikban, ezért előzetes szakmai vitára bocsátották a dolgozatukat. A legnevesebb szakemberek több mint 40 cikkben reagáltak, de hibát senki sem talált. Többen különböző bonyolult kiutakra tettek javaslatokat. A CERN-ben tartott konferencia résztvevői mindenesetre csak abban értettek egyet, hogy egyhamar nem várható a probléma megoldása. (Az érdeklődők a konferencia honlapján elhangzott előadások anyagát is megtekinthetik itt.)