A fekete lyukak az univerzum legfélelmetesebb objektumai. Mindent bekebeleznek ami az útjukba kerül. Az elmúlt években azonban repedések...
A fekete lyukak az univerzum legfélelmetesebb objektumai. Mindent bekebeleznek ami az útjukba kerül. Az elmúlt években azonban repedések keletkeztek a hagyományos elméleten. A kutatók az univerzum jobb megértéséért folytatott verseny során rádöbbentek, hogy a fekete lyuk nem is olyan fekete, és talán nem is lyuk.
Viharos viták zajlanak a fekete lyukakról és arról, hogy egyáltalán megérdemlik-e a nevüket. A fekete lyuk elnevezést 1960-ban John Wheeler fizikus találta ki annak leírására, hogy mi történik akkor, ha az anyag egy végtelenül kis pontba sűrűsödik össze. Amikor például egy csillag kifogy a nukleáris energiából, ami megmarad belőle, összezuhan saját magába. Ennek az anyagnak a gravitációs vonzereje túlhaladhatja a természetes tendenciáját önmaga visszataszítására. Ha a csillag elég nagy volt, úgy az eredmény a szingularitás lesz. A szingularitásból nincs visszatérés. A fény nem szabadul ki, ha egyszer ezen a határon belül kerül.
1975-ben Stephen Hawking a Cambridge-i egyetemről arra a számításra jutott, hogy a fekete lyukak lassan, de elkerülhetetlenül felszívódnak. A quantummechanika törvényei szerint a virtuális testek és antitestek párjai folyamatosan kipukkadnak az űr ürességében. Hawking szerint a fekete lyuk gravitációs energiáját "kölcsönadja" a virtuális részecskéknek az eseményhorizont közelében. Ezek így valóssá válhatnak és elmenekülhetnek magukkal vive a pozitív energiát, úgynevezett Hawking sugárzás formájában. Idővel a fekete lyuk így "elvérzik" az űrben. Ez azonban egy paradoxonhoz vezetett. Míg a relativitás azt sugallja, hogy a fekete lyukba eső anyagról az információ elvész, a quantummechanika szerint az inkább elmenekül. Hawking szerint amíg energia elszökhet addig az információ nem.
Tavaly azonban a tudós újragondolta az elméletét a fekete lyukak mozgatórugójáról. Ezt a húrelmélet ösztönözte, a quantummechanika és az általános relativitás elmélet egységesítésének törekvése. A már 20 éve élő elmélet szerint a tér-idő, és minden benne vibráló húrokból áll, melyek olyan kicsik, hogy alig van esélyünk létezésükről bizonyosságot szerezni. Vonzereje abban rejlik, hogy egységesíteni képes az általános relativitáselméletet és a quantummechanikát.
A húr elméletet először a 90-es évek közepén alkalmazták fekete lyukakra. Andrew Strominger és Cumrun Vafa a Harvard egyetemről elkezdett dolgozni az információ paradoxonon, elképzelve, milyen lehet a fekete lyuk belseje. A kutatók rájöttek, hogy a húrelmélet lehetővé teszi, hogy a húrokból apró, sűrű struktúrákat és más tárgyakat hozzanak létre, melyek közül némelyik több mint három dimenziós. Ezek a struktúrák apró fekete lyukként működtek: gravitációs vonzerejük elnyelte a fényt. A húrok elhelyezési lehetősége a fekete lyukban meglepően nagy számú.
Számításaik alátámasztották a húr elméletet. Az 1970-es években Hawking és Jacob Bekenstein a Princeton egyetemről kiszámították a fekete lyuk entrópiáját a quantummechanika segítségével. Egy tárgy entrópiájának mértéke nagyjából a benne levő információ mennyiségétől függ. Leginkább azon módszerek számát jelenti, ahogyan a tárgyat alkotó elemeket össze lehet rendezni. Érdekes módon a fekete lyukban levő húrok elrendezésénel lehetőségei számban megegyeztek a Hawking és Bekenstein által kiszámolt entrópiával. Ez azonban nem adott választ arra, hogy hogyan lehet elrendezni a húrokat.
A múlt évben Samir Mathur az ohio-i egyetemről a kollégáival a húrok konfigurációjának lehetséges módjait vizsgálta a fekete lyukban. Arra jutottak, hogy a húrok egy nagy laza húrrá kapcsolódnak össze, mely sokkal nagyobb lehet mint az egy pontnyi méret. Mathur kutatócsoportja kiszámította a több húros fekete lyuk teljes fizikai méretét. Meglepetésükre mindegyik pontosan akkora volt, mint a hagyományos elmélet szerinti eseményhorizont. Ezek szerint azonban a kerek lyuk, fekete pont középpel elképzelés a fekete lyukról nem állja meg a helyét.
A hagyományos elmélet szerint a sík horizontnak egyértelmű határai vannak. Azok az objektumok, melyek meghatározott ponton haladnak át meghatározott időpontban, garantáltan a fekete lyuk szingularitásában kötnek ki. Az új elképzelés szerint azonban a sík horizont egy "habzó" húrhalmaz nem egy éles határ. A húrhalmaz elmélet megkérdőjelezi azt is, hogy a fekete lyuk elpusztítja az információt. Mathur leírása szerint nincs szingularitás. A húrok sokasága egészen az eseményhorizontig ér. Eszerint az információ a húrokban tárolódhat és a kifelé menő Hawking sugárzással továbbadódik.
Tehát mi is történik a fekete lyukba eső információval? Képzeljük el azt, amikor tejet öntünk a kávéba. Ha a kávét és tejet a régi elmélet szerinti fekete lyukba öntjük, azok szingularitásba kerülnek és elvesznek. Soha nem fogjuk látni az összekeverés eredményét. De ha a kávét és a tejet a Mathur féle húrhalomba öntjük, a kávé-tej keverékről az információ húr vibrációkba kódolódik át. A kijövő Hawking sugárzás részletes információt hordoz arról, hogy mi történt a kávé és a tej részecskéivel. Nincs információs probléma.
Gary Horowitz a kaliforniai egyetemről és Juan Maldacena Princeton-ból szerint az információ valóban kikerülhet a fekete lyukból. Szerintük azonban a fekete lyuk közepe valóban hordozza a szingularitást. Szerintük az információ kvantum teleportáció során szabadulhat el. Ez lehetővé teszi egy részecske állapotának azonnali teleportálását egy másikba A legtöbb, amit egy fekete lyuk magában tarthat is csak egy része az információnak, minden más valószínűleg kiszabadul. De ahhoz, hogy a számítás működjön, fel kellett tételezniük, hogy a befelé eső anyag és a kifelé haladó sugárzás nem ütköznek össze. Ha ez ugyanis megtörténne, az megzavarná a teleportációs folyamatot.
A kvantum-információ elméleti szakértői úgy gondolják, hogy ilyen jellegű zavarok könnyen keletkezhetnek. Ez problémát okozott Horowitz és Maldacena számára, de Seth Lloyd a Massachusetts-i technológiai intézetből kidolgozta, hogyan is oltják ki egymást az ilyen zavarok. De Gottesman és Preskill még egy kritikát közölt a teleportációs képpel szemben. Kimutatták, hogy a hatás lehetővé tenné a fénysebességnél gyorsabb kommunikációt, mely a relativitás elmélet szerint nem lehetséges. A teleportációs kalkuláció azon a feltevésen alapul, hogy a fekete lyukon belül minden anyag ugyanabban a kvantum státuszban van.
Bár a kvantummechanika szerint lehetséges, hogy egy részecske hirtelen hatással legyen egy másik kvantum állapotára, ez nem alkalmas kommunikációra. Ha valaki, mondjuk "A" megméri a kvantum állapotát egy részecskének, mely kapcsolódik egy másik részecskéhez, amely a barátja, "B" kezében van, a mérés hatását azonnal közli "B"-vel, de ez semmiképpen nem történhet meg a fény sebességénél gyorsabban, mert "A"-nak el kell mondania milyen mérési módszereket alkalmazott a részecskén, mielőtt "B" dekódolhatná az általa tapasztalt változások jelentését. Ez az információ a normális úton kell kerüljön "B"-hez. Ha azonban "A" bedobja a részecskét egy fekete lyukba, a mérések azonnal a fekete lyuk kvantum állapotába szorulnak. Ez hatást gyakorolna a "B"-nél levő részecskére melyet "B" anélkül is meg tudna határozni, hogy "A" informálná.
Gottesmann következtetése szerint a teleportáció elmélete nem működhet túl jól. A jelenség fejtörést okoz a Marylandi egyetemen dolgozó kvantumgravitációs elméleti szakértőnek, Ted Jacobsonnak is, aki szerint a fekete lyukba eső információ örökre elvész az azon kívül levők számára. A teleportációs elméletet nem tartja meggyőzőnek. Jacobson szerint a fekete lyuk belseje és külseje közötti kapcsolat olyan bonyolult a húrelmélet szerint, hogy senki nem lehet biztos benne, hogy kizárhatja annak lehetőségét, hogy az információ a mi tér-időnkön kívülre kerül.
Az tehát, hogy az információ elszabadulhat-e a fekete lyukból vagy örökre megsemmisül, továbbra is élénk viták tárgya lesz. Az is elképzelhető, hogy egy harmadik lehetőség merül fel. A húr elmélettel szemben a hurok-kvantumgravitáció úttörő szemléletének követője többek között Lee Smolin a Kanadai Perimeter intézetből. Szerinte a tér-idő alkotóelemei a húroknál is kisebb hurkok. Az egymáshoz kapcsolódó hurkok nagyobb csomókat és hálózatokat alkotnak. A modell előnye, hogy a tér-idő maga is felépíthető ezekből a hálózatokból anélkül, hogy azokat feltételezni kelljen. Abhay Ashtekar a Pennsylvaniai állami egyetemről és Martin Bojowald a Max Planck Intézetből ilyen hálózatok felhasználásával készült fekete lyuk modellt tanulmányoztak.
Azt találták, hogy az egyenletek, melyek a tér-időt leírják magában a szingularitásban is érvényesek. Ez egy a hagyományostól nagyon eltérő szemlélet, mely szerint a fizika törvényei nem érvényesülnek, ha a tér-idő összeomlik. Ez azt jelenti, hogy az az információ, mely eléri a szingularitást, túlélhet ott, kódolva a hurokhálózatban. Szerintük a fekete lyukban rekedt információ nem képes a Hawking sugárzással elszökni. De ha elég sokáig várunk, az információ túléli, és esetleg újra csatlakozik a világegyetemhez amikor a fekete lyuk elpárolog. Tehát bármelyik elméletet is szemléljük, a fekete lyukak korántsem olyan drámaiaik, mint amilyennek hisszük azokat. Végülis miért kellene félni egy nagy gombolyag húrtól?
