Naturnyheter har meddelat att det inte finns några svarta hål. Detta påstående görs av ingen mindre än Stephen Hawking, så betyder det att svarta hål inte finns längre? Det beror på om Hawkings nya idé är rätt, och på vad du menar att vara ett svart hål. Yrkandet bygger på en ny papper av Hawking som hävdar att händelsehorisonten för ett svart hål inte existerar.
Händelsehorisonten för ett svart hål är i princip no return när man närmar sig ett svart hål. I Einsteins allmänna relativitetsteori är händelsehorisonten där rum och tid är så förvrängda av gravitationen att du aldrig kan fly. Korsa händelsehorisonten och du kan bara röra dig inåt, aldrig utåt. Problemet med en enkelriktad händelsehorisont är att den leder till vad som kallas informationsparadoxen.
Professor Stephen Hawking under en nollgravitationsflygning. Bildkredit: Zero G.
Informationsparadoxen har sitt ursprung i termodynamiken, närmare bestämt termodynamikens andra lag. I sin enklaste form kan det sammanfattas som 'värme strömmar från varma föremål till kalla föremål'. Men lagen är mer användbar när den uttrycks i termer av entropi. På detta sätt anges det som 'entropin i ett system kan aldrig minska.' Många människor tolkar entropi som nivån av oordning i ett system, eller den oanvändbara delen av ett system. Det skulle innebära att saker alltid måste bli mindre användbara med tiden. Men entropi handlar egentligen om nivån av information du behöver för att beskriva ett system. Ett ordnat system (säg kulor jämnt fördelade i ett rutnät) är lätt att beskriva eftersom objekten har enkla relationer till varandra. Å andra sidan kräver ett oordnat system (kulor slumpmässigt utspridda) mer information för att beskriva, eftersom det inte finns ett enkelt mönster för dem. Så när den andra lagen säger att entropin aldrig kan minska, sägs det att den fysiska informationen i ett system inte kan minska. Information kan med andra ord inte förstöras.
Problemet med händelsehorisonter är att du kan kasta ett föremål (med mycket entropi) in i ett svart hål, och entropin skulle helt enkelt försvinna. Med andra ord skulle universums entropi bli mindre, vilket skulle bryta mot termodynamikens andra lag. Naturligtvis tar detta inte hänsyn till kvanteffekter, särskilt vad som är känt som Hawking-strålning, som Stephen Hawking först föreslog 1974.
Den ursprungliga idén med Hawking-strålning härrör från osäkerhetsprincipen i kvantteorin. Inom kvantteorin finns det gränser för vad man kan veta om ett objekt. Till exempel kan du inte veta ett objekts exakta energi. På grund av denna osäkerhet kan energin i ett system fluktuera spontant, så länge dess medelvärde förblir konstant. Vad Hawking visade är att nära händelsehorisonten för ett svart hål kan par av partiklar uppträda, där en partikel fastnar i händelsehorisonten (minskar massan av svarta hål något) medan den andra kan fly som strålning (som bär bort en del av svarta hålets energi).
Hawking-strålning nära en händelsehorisont. Kredit: NAU.
Eftersom dessa kvantpartiklar uppträder i par, är de 'trasslade' (kopplade på ett kvantsätt). Detta spelar ingen större roll, om du inte vill att Hawking-strålning ska utstråla informationen som finns i det svarta hålet. I Hawkings ursprungliga formulering uppträdde partiklarna slumpmässigt, så strålningen som härrörde från det svarta hålet var rent slumpmässigt. Därför skulle Hawking-strålning inte tillåta dig att återställa någon instängd information.
För att Hawking-strålning ska kunna föra information ut ur det svarta hålet måste den intrasslade kopplingen mellan partikelpar brytas vid händelsehorisonten, så att den flyktande partikeln istället kan intrasslas med det informationsbärande materialet i det svarta hålet. Detta brytande av den ursprungliga intrasslingen skulle få de flyende partiklarna att framstå som en intensiv 'brandvägg' vid ytan av händelsehorisonten. Detta skulle innebära att allt som faller mot det svarta hålet inte skulle ta sig in i det svarta hålet. Istället skulle den förångas av Hawking-strålning när den nådde händelsehorisonten. Det verkar då som att antingen den fysiska informationen om ett objekt går förlorad när det faller in i ett svart hål (informationsparadox) eller så förångas objekt innan de går in i ett svart hål (brandväggsparadox).
I denna nya artikel föreslår Hawking ett annat tillvägagångssätt. Han hävdar att i stället för att gravitationen förvränger rum och tid till en händelsehorisont, skapar kvantfluktuationerna av Hawking-strålning en lagerturbulens i den regionen. Så istället för en skarp händelsehorisont skulle ett svart hål ha en skenbar horisont som ser ut som en händelsehorisont, men tillåter information att läcka ut. Hawking hävdar att turbulensen skulle vara så stor att informationen som lämnar ett svart hål skulle vara så förvrängd att den i praktiken inte går att återställa.
Om Stephen Hawking har rätt, då kan det lösa informations-/brandväggsparadoxen som har plågat teoretisk fysik. Svarta hål skulle fortfarande existera i astrofysisk mening (det i mitten av vår galax kommer inte någonstans) men de skulle sakna händelsehorisonter. Det bör betonas att Hawkings papper inte har granskats av experter, och att det är lite bristfälligt på detaljer. Det är mer en presentation av en idé snarare än en detaljerad lösning på paradoxen. Ytterligare forskning kommer att behövas för att avgöra om denna idé är den lösning vi har letat efter.