Sorte huller er ikke helt sorte, og andre indsigter fra Stephen Hawkings banebrydende arbejde

Matematisk fysiker og kosmolog Stephen Hawking var bedst kendt for sit arbejde med at udforske forholdet mellem sorte huller og kvantefysik. Et sort hul er en rest af en døende supermassiv stjerne, der er faldet ind i sig selv; disse rester trækker sig sammen til en så lille størrelse, at tyngdekraften er så stærk, at selv lys ikke kan undslippe dem. Sorte huller tårner sig op i den populære fantasi – skolebørn overvejer, hvorfor hele universet ikke falder sammen til ét. Men Hawkings omhyggelige teoretiske arbejde udfyldte nogle af hullerne i fysikeres viden om sorte huller.

Hvorfor eksisterer sorte huller?

Det korte svar er:Fordi tyngdekraften eksisterer, og lysets hastighed er ikke uendelig.

Forestil dig, at du står på jordens overflade, og affyre en kugle i luften i en vinkel. Din standardkugle vil falde ned igen, et sted længere væk. Antag, at du har en meget kraftig riffel. Så kan du muligvis skyde kuglen med en sådan hastighed, at i stedet for at komme langt ned, den vil i stedet "savne" Jorden. Falder hele tiden, og konstant savner overfladen, kuglen vil faktisk være i et kredsløb om Jorden. Hvis din riffel er endnu stærkere, kuglen kan være så hurtig, at den forlader Jordens tyngdekraft helt. Dette er i bund og grund, hvad der sker, når vi sender raketter til Mars, for eksempel.

Forestil dig nu, at tyngdekraften er meget, meget stærkere. Ingen riffel kunne accelerere kugler nok til at forlade den planet, så i stedet beslutter du dig for at skyde lys. Mens fotoner (lyspartikler) ikke har masse, de er stadig påvirket af tyngdekraften, bøjer deres vej ligesom en kugles bane bøjes af tyngdekraften. Selv de tungeste planeter vil ikke have tyngdekraften stærk nok til at bøje fotonens vej nok til at forhindre den i at undslippe.

Men sorte huller er ikke som planeter eller stjerner, de er resterne af stjerner, pakket ind i de mindste kugler, sige, kun få kilometer i radius. Forestil dig, at du kunne stå på overfladen af ​​et sort hul, bevæbnet med din strålepistol. Du skyder opad i en vinkel og bemærker, at lysstrålen i stedet krummer, kommer ned og savner overfladen! Nu er strålen i en "bane" omkring det sorte hul, på afstand omtrent det, kosmologer kalder Schwarzschild-radius, "point of no return".

Dermed, da ikke engang lys kan undslippe hvor du står, den genstand, du bebor (hvis du kunne), ville se helt sort ud for nogen, der kiggede på den langvejs fra:et sort hul.

Men Hawking opdagede, at sorte huller ikke er helt sorte?

Det korte svar er:Ja.

Min tidligere beskrivelse af sorte huller brugte sproget i klassisk fysik – dybest set, Newtons teori anvendes på lys. Men fysikkens love er faktisk mere komplicerede, fordi universet er mere kompliceret.

I klassisk fysik, ordet "vakuum" betyder det totale og fuldstændige fravær af enhver form for stof eller stråling. Men i kvantefysikken, vakuumet er meget mere interessant, især når det er tæt på et sort hul. I stedet for at være tom, vakuumet vrimler med partikel-antipartikel-par, der er skabt flygtigt af vakuumets energi, men må tilintetgøre hinanden kort derefter og returnere deres energi til vakuumet.

Du vil finde alle slags partikel-antipartikel-par produceret, men de tungere forekommer meget sjældnere. Det er nemmest at producere fotonpar, fordi de ikke har nogen masse. Fotonerne skal altid produceres i par, så de bevæger sig væk fra hinanden og ikke overtræder loven om momentumbevarelse.

Forestil dig nu, at et par er skabt lige i den afstand fra midten af ​​det sorte hul, hvor den "sidste lysstråle" cirkulerer:Schwarzschild-radius. Denne afstand kan være langt fra overfladen eller tæt på, afhængig af hvor meget masse det sorte hul har. Og forestil dig, at fotonparret er skabt, så en af ​​de to peger indad – mod dig, i midten af ​​det sorte hul, holder din strålepistol. Den anden foton peger udad. (I øvrigt, du ville sandsynligvis blive knust af tyngdekraften, hvis du prøvede denne manøvre, men lad os antage, at du er overmenneske.)

Nu er der et problem:Den ene foton, der bevægede sig inde i det sorte hul, kan ikke komme ud igen, fordi den allerede bevæger sig med lysets hastighed. Fotonparret kan ikke udslette hinanden igen og betale deres energi tilbage til det vakuum, der omgiver det sorte hul. Men nogen skal betale piperen, og dette må være selve det sorte hul. Efter at den har budt fotonen velkommen i sit land uden tilbagevenden, det sorte hul skal returnere noget af dets masse tilbage til universet:nøjagtig samme mængde masse som den energi, fotonerparret "lånte, " ifølge Einsteins berømte ligestilling E=mc².

Dette er i bund og grund, hvad Hawking viste matematisk. Den foton, der forlader det sorte huls horisont, vil få det til at se ud, som om det sorte hul havde en svag glød:Hawking-strålingen opkaldt efter ham. Samtidig ræsonnerede han, at hvis dette sker meget, i lang tid, det sorte hul kan miste så meget, at det kan forsvinde helt (eller mere præcist, blive synlig igen).

Får sorte huller information til at forsvinde for altid?

Kort svar:Nej, det ville være imod loven.

Mange fysikere begyndte at bekymre sig om dette spørgsmål kort efter Hawkings opdagelse af gløden. Bekymringen er denne:Fysikkens grundlæggende love garanterer, at enhver proces, der sker "frem i tiden, " kan også ske "baglæns i tid."

Dette virker i modstrid med vores intuition, hvor en melon, der sprøjtede på gulvet, aldrig på magisk vis ville samle sig selv igen. Men hvad der sker med store genstande som meloner, er virkelig dikteret af statistikkens love. For at melonen kan samle sig selv igen, mange gazillioner af atompartikler ville skulle gøre det samme baglæns, og sandsynligheden for det er stort set nul. Men for en enkelt partikel er dette ikke noget problem overhovedet. Så for atomare ting, alt, hvad du observerer fremad, kan lige så sandsynligt ske baglæns.

Forestil dig nu, at du skyder en af ​​to fotoner ind i det sorte hul. De adskiller sig kun ved en markør, som vi kan måle, men det påvirker ikke fotonens energi (dette kaldes en "polarisering"). Lad os kalde disse "venstre fotoner" eller "højre fotoner." Efter at venstre eller højre foton krydser horisonten, det sorte hul ændrer sig (det har nu mere energi), men det ændrer sig på samme måde om venstre eller højre foton blev absorberet.

To forskellige historier er nu blevet til én fremtid, og sådan en fremtid kan ikke vendes:Hvordan ville fysikkens love vide, hvilken af ​​de to fortider de skulle vælge? Venstre eller højre? Det er krænkelsen af ​​tids-vendende invarians. Loven kræver, at enhver fortid skal have præcis én fremtid, og hver fremtid præcis én fortid.

Nogle fysikere mente, at Hawking-strålingen måske bærer et aftryk af venstre/højre for at give en ekstern observatør et hint om, hvad fortiden var, men nej. Hawking-strålingen kommer fra det flimrende vakuum, der omgiver det sorte hul, og har intet at gøre med, hvad du kaster ind. Alt virker tabt, men ikke så hurtigt.

I 1917, Albert Einstein viste, at stof (selv vakuumet ved siden af ​​materien) faktisk reagerer på indkommende ting, på en meget ejendommelig måde. Vakuumet ved siden af ​​den sag "kildes" for at producere et partikel-antipartikel-par, der ligner en nøjagtig kopi af det, der lige er kommet ind. I en meget reel forstand, den indkommende partikel stimulerer sagen til at skabe et par kopier af sig selv - faktisk en kopi og en anti-kopi. Husk, tilfældige par af partikel og antipartikel dannes hele tiden i vakuumet, men de kildede par er slet ikke tilfældige:De ligner kilden.

Denne kopiproces er kendt som den "stimulerede emission"-effekt og er årsagen til alle lasere. Hawking-gløden af ​​sorte huller, på den anden side, er netop det, Einstein kaldte den "spontane emission"-effekt, finder sted nær et sort hul.

Forestil dig nu, at kilden skaber denne kopi, så den venstre foton kilder et venstre fotonpar, og en højre foton giver et højre fotonpar. Da en partner af de kildede par skal forblive uden for det sorte hul (igen fra momentumbevarelse), den partikel skaber den "hukommelse", der er nødvendig, så information bevares:Én fortid har kun én fremtid, tiden kan vendes, og fysikkens love er sikre.

I en kosmisk ulykke, Hawking døde på Einsteins fødselsdag, hvis teori om lys, det sker bare sådan, redder Hawkings teori om sorte huller.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.