Stephen Hawking murtaa mustien aukkojen tapahtumahorisontin

Brittifyysikko kertoo, että vaikka klassisen teorian mukaan mikään ei voi paeta mustasta aukosta, kvanttiteoria mahdollistaa energian ja tiedon paon.

Ulkomaat
Stephen Hawking
Stephen HawkingSalvatore Di Nolfi / EPA

Brittifyysikko Stephen Hawking on kaatamassa nykyistä käsitystä mustien aukkojen lopullisesta otteesta. Keskiviikkona tieteellisten artikkelien arXiv-verkkoarkistoon jättämässään artikkelissa Hawking toteaa, että nykykäsityksen mukaisia mustia aukkoja ei ole olemassa, vaan energia ja tieto voivat paeta mustasta aukosta.

Klassisen fysiikan lainalaisuuksien mukaan mikään ei voi paeta mustasta aukosta. Sen sijaan kvanttiteoria mahdollistaa energian ja tiedon paon mustasta aukosta, Hawking kertoo Nature-lehdelle (siirryt toiseen palveluun).

Vielä vertaisarvioita odottavassa _Information preservation and weather forecasting for black holes _-nimisessä artikkelissa Hawking tuo tapahtumahorisontin rinnalle "näennäishorisontin", joka väliaikaisesti vangitsee materian ja energian, kunnes lopulta vapauttaa ne avaruuteen – tosin tunnistamattomassa muodossa.

Tapahtumahorisontti on aika-avaruudessa oleva rajapinta, jonka sisäpuolelta mitään tietoa ei pääse ulkopuolelle.

Hawking toteaa, että tapahtumien täydellinen selittäminen vaatii teorian, joka onnistuu yhdistämään painovoiman kolmeen muuhun vuorovaikutusvoimaan. Tutkijat ovat vuosikymmenten ajan pyrkineet ratkaisemaan tätä yhtä nykyfysiikan suurimmista haasteista.

Palomuuriparadoksi polttaa astronautin

Hawking pyrkii uudella teoriallaan ratkaisemaan fyysikoita kaksi vuotta askarruttaneen palomuuriparadoksin. Fyysikko Joseph Polchinski totesi maaliskuussa 2012, että kvanttiteorian perusteella mustaa aukkoa ympäröivä tapahtumahorisontti on korkeaenerginen alue, ikäänkuin palomuuri mustan aukon ympärillä.

Aikaisemman, yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvan käsityksen mukaan mustaan aukkoon joutunut astronautti ei huomaisi kohtaloaan vielä ylittäessään tapahtumahorisontin, mutta hiljalleen mustan aukon vetovoima venyttäisi hänet kunnes hän musertuisi mustan aukon äärettömän pieneen ytimeen. Tämä perustuu Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan, jonka mukaan fysiikan lait ovat samat kaikkialla maailmankaikkeudessa.

Polchinskin tutkijaryhmä kuitenkin huomasi, että kvanttimekaniikan lait muuttavat tilanteen täysin. Kvanttiteorian mukaan mustan aukon ympärillä on palomuuri, joka polttaisi astronautin.

Kvanttiteoriaa mukaileva palomuuriparadoksi uhmaa siis Einsteinin suhteellisuusteoriaa, jonka mukaan tapahtumahorisontti on tyhjää avaruutta.

Näennäishorisontti murtuu, ja materia pakenee

Tuoreessa artikkelissaan Hawking ratkaisee kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian ristiriidan tuomalla tapahtumahoristontin rinnallle "näennäishorisontin". Hawking esittää, että kvanttivaikutukset mustan aukon ympärillä aiheuttavat aika-avaruudessa niin voimakasta aaltoilua, ettei jyrkkää rajapintaa voi olla olemassa. Näennäishorisontti on siis mustan aukon todellinen rajapinta.

Hawkingin mukaan muuttumattomassa mustassa aukossa tapahtumahorisontti ja näennäishorisontti ovat identtiset. Tällöin mustasta aukosta pakeneva valo jää jumiin horisonttien rajapintaan. Mustan aukon niellessä enemmän materiaa sen tapahtumahorisontti kasvaa näennäishorisonttia suuremmaksi. Vastaavasti mustan aukon pienentyessä näennäishorisontti kasvaa teoriassa tapahtumahorisonttia suuremmaksi. Mustan aukon pienentyminen on mahdollista Hawkingin 1970-luvulla kehittämän teorian perusteella.

Toisin kuin tapahtumahorisontti, näennäishorisontti voi purkautua ja siten lakata olemasta. Hawking ei kerro artikkelissaan tarkemmin, miten tämä tapahtuisi, mutta teoriassa se mahdollistaisi paon mustasta aukosta.

Albertan yliopiston professori Don Page arvelee, että näennäishorisontin kutistuessa tiettyyn kokoon sekä kvanttimekaniikan että painovoiman vaikutukset yhdistyvät niin, että näennäishorisontti voisi kadota. Tällöin mustan aukon vangitsema materia vapautuisi.

Jos Hawking on oikeassa, tämä voi tarkoittaa sitä, ettei mustan aukon ydin olekaan ääretön, vaan materia olisi ainoastaan vangittuna näennäishorisontin taakse. Mustan aukon painovoima vetäisi näennäeshorisonttia kohti ydinta, mutta se ei koskaan saavuttaisi sitä.

Näennäishorisontin purkautumisen yhteydessä vapautunut materia ei olisi tuhoutunut, mutta se olisi muuttumut täysin tunnistamattomaksi alkuperäisestä muodosta.