Date: 0101-01-01T00:00:00+00:00
Keywords: brit szerző; csillagászat; illusztrált; ismeretterjesztő; kozmológia; magyar nyelvű; tudomány; tudományos ismeretterjesztő
Description: „Azt tartják, a tények néha furcsábbak a fantázia szüleményeinél, és ez sehol másutt nem igaz annyira, mint a fekete lyukak esetében. A fekete lyukak különösebbek, mint bármi, amit csak a tudományos-fantasztikus írók megálmodtak.” Stephen Hawking professzor 2016-ban két előadást tartott a BBC Reith-előadássorozatában, arról a témáról, amelyik már évtizedek óta foglalkoztatja őt – a fekete lyukakról. A legendás fizikus ebben a két, maradandó élményt adó előadásában kifejti, hogy csak akkor juthatunk közelebb az univerzum titkainak feltárásához, ha megértjük a fekete lyukakat és azt a kihívást,
Publisher: Akkord

Stephen Hawking

Fekete lyukak

Címkék:

brit szerző, csillagászat, illusztrált, ismeretterjesztő, kozmológia, magyar nyelvű, tudomány, tudományos ismeretterjesztő

brit szerzőttt csillagászatttt illusztráltttt ismeretterjesztőttt kozmológiattt magyar nyelvűttt tudományttt tudományos ismeretterjesztőttt

„Azt tartják, a tények néha furcsábbak a fantázia szüleményeinél, és ez sehol másutt nem igaz annyira, mint a fekete lyukak esetében. A fekete lyukak különösebbek, mint bármi, amit csak a tudományos-fantasztikus írók megálmodtak.”
Stephen Hawking professzor 2016-ban két előadást tartott a BBC Reith-előadássorozatában, arról a témáról, amelyik már évtizedek óta foglalkoztatja őt – a fekete lyukakról.

A legendás fizikus ebben a két, maradandó élményt adó előadásában kifejti, hogy csak akkor juthatunk közelebb az univerzum titkainak feltárásához, ha megértjük a fekete lyukakat és azt a kihívást, amelyet ezek az objektumok a tér és az idő természetére vonatkozóan jelentenek.

Black Holes: The Reith Lectures

© Stephen Hawking, 2016

Hungarian translation: Dr. Both Előd, 2017

ISBN 978-963-252-099-5

Stephen Hawking

Fekete lyukak

Az idő rövid története szerzője,

STEPHEN HAWKING

FEKETE LYUKAK

A BBC Reith-előadásai

A bevezetőt és a jegyzeteket írta: David Shukman, a Bbc News tudományos szerkesztője

BEVEZETÉS

Írta: David Shukman

Minden, ami Stephen Hawkinggal összefügg, lenyűgözően izgalmas: a beteg testbe zárt zseni állapota; a mosolyféleség az arcon, amelynek csak egyetlen izmát képes mozgatni; jellegzetes géphangja, amellyel megosztja velünk a felfedezés örömét, miközben gondolatai a Világegyetem legbizarrabb szegleteiben száguldoznak.

Minden esély ellenére ez a figyelemre méltó ember túllépett a természettudomány szokásos határain. Az idő rövid története könyvét elképesztő, tízmillió példányban adták ki. Saját magát alakítja rövid szerepeiben a különböző népszerű filmekben és show műsorokban, meghívják a Fehér Házba, az életéről szóló film kedvező fogadtatása egyszer s mindenkorra biztosította helyét a hírességek között.

Nem kevesebbet ért el, mint hogy a világ legismertebb tudósa lett.

Az 1960-as években, amikor a mozgatóidegei gyógyíthatatlan megbetegedését diagnosztizálták, az orvosok azt jósolták, legfeljebb két éve lehet hátra. Ám most, több mint fél évszázad elteltével még mindig kutat, ír, utazik és rendszeresen megjelenik a hírekben. Lucy lánya ezt a rendkívüli aktivitást azzal magyarázza, hogy apja „elképzelhetetlenül makacs ember”.

Legyen szó akár személyes történetének gyötrelmeiről vagy lelkesedéséről, Hawking megragadja a képzeletünket. Nemrég figyelmeztetett arra, hogy az emberiségnek egy sor, saját maga által előidézett katasztrófával kell szembenéznie – a globális éghajlatváltozástól a mesterségesen előállított vírusokig. Gondolatait a világ elé táró cikk a megjelenése napján a BBC honlapjának legolvasottabb írása volt.

A sors kegyetlensége, hogy egy ilyen nagy formátumú kommunikátor képtelen az emberi párbeszédre. Ha interjút ad, a kérdéseket előre el kell küldeni neki. Néhány évvel ezelőtt a munkatársai figyelmeztettek, hogy ne próbáljak meg felszínes csevegésbe elegyedni vele, mert még a legegyszerűbb kérdésekre is csak hosszú idő alatt tudja megalkotni a választ. Amikor azonban találkoztam vele, olyannyira hatalmába kerített az izgalom, hogy önkéntelenül is kibuggyant belőlem a kérdés: „Hogy érzi magát?” – azután bűntudatot érezve vártam a válaszára. Jól érezte magát.

Cambridge-i irodájában egy tábla tele van írva egyenletekkel. A kozmológia nyelve a legelvontabb matematika. Stephen Hawking azonban páratlan módon azzal járult hozzá a tudományos kutatáshoz, hogy összekapcsolta egymással a látszólag nagyon távoli szakterületeket. Erre a legismertebb példa az, hogy ő vizsgálta elsőként a tér végeláthatatlan mélységeit az atomokat alkotó parányi, elemi részecskék kutatására kigondolt módszerekkel.

Kollégái, akik ezen a pokolian bonyolult területen dolgoznak, attól tarthatnak, hogy az átlagember soha nem lesz képes felfogni munkájuk lényegét. Hawking viszont éppen arról híres, hogy meg tudja szólítani a széles nagyközönséget is. Idén a BBC Reith-előadássorozatában arra vállalkozott, hogy két, egyenként tizenöt perces adásban összefoglalja mindazt, amit életében a fekete lyukak kutatásában elért. Néhány ponton megjegyzéseket fűztem a szöveghez, mert segítő kezet szeretnék nyújtani azoknak, akik kíváncsiak, de elveszítették a fonalat, mint ahogy azoknak is, akiket megigéznek a gondolatok, de idegenkednek a természettudománytól.

Tényleg csupaszok a fekete lyukak?

Az adás 2016. január 26-án hangzott el

Azt mondják, a tények néha különösebbek a képzelet szüleményeinél. Sehol másutt nem olyan igaz ez, mint a fekete lyukak esetében. A fekete lyukak furcsábbak bárminél, amit csak a sci-fi írók elképzeltek, mégis szilárd, tudományos tényeken alapulnak.

A tudós közösség csak lassanként ébredt rá, hogy a nagy tömegű csillagok saját súlyuk, azaz gravitációjuk alatt összeroppanhatnak. Csak későn szánták rá magukat annak végiggondolására, hogyan viselkedhetnek a visszamaradó objektumok.

Albert Einstein 1939-ben írt egy cikket, amelyben azt állította, hogy a csillagok a gravitáció hatására nem omolhatnak össze, mert az anyag egy bizonyos ponton túl nem nyomható össze. Sok tudós osztotta Einstein sejtését. A legtekintélyesebb kivétel az amerikai John Wheeler volt, aki sok szempontból is a fekete lyukak történetének főhősévé vált. Az 1950-es és 1960-as években írt munkáiban hangsúlyozta, hogy végső soron nagyon sok csillag összeomlik, ugyanakkor rámutatott azokra a problémákra, amelyeket ez a lehetőség az elméleti fizika számára felvet.

Jó előre felismerte azoknak az objektumoknak számos tulajdonságát, amelyekké ezek az összeomló csillagok válnak – vagyis a fekete lyukakét.

DS: A „fekete lyuk” kifejezés elég egyszerű, mégis nehéz elképzelni, hogy milyen lehet odakint a világűrben. Gondoljunk egy hatalmas lefolyóra, amelyben spirális mozgással folyik lefelé a víz. Amikor valami átlépi a peremét – amelyet „eseményhorizontnak” nevezünk – akkor onnan már nincs visszaút.

Mivel a fekete lyukak iszonyú erejűek, ezért még a fényt is beszippantják, így valójában soha nem láthatjuk őket.

A tudósok ennek ellenére tudják, hogy léteznek, mert a hozzájuk túl közel kerülő csillagokat szétszaggatják, miközben rezgéseket küldenek a világűrbe. Két fekete lyuk több mint egymilliárd évvel ezelőtti összeütközése keltette azokat az úgynevezett „gravitációs hullámokat”, amelyek közelmúltbeli észlelése tudományos szenzációt keltett.

A közönséges csillagokban életük legnagyobb részében, vagyis évmilliárdokon keresztül, saját gravitációjukkal az a termikus nyomás tart egyensúlyt, amelyet a hidrogént héliummá alakító atommag-reakciók hoznak létre.

DS: A NASA kuktafazékhoz hasonlítja a csillagokat. A belsejükben működő magfúzió robbanóereje kifelé ható nyomást kelt, amely ellenáll a mindent befelé vonzó gravitációnak.

Végül aztán a csillag elfogyasztja nukleáris üzemanyagkészletét. Ekkor a csillag összehúzódik. Egyes esetekben „fehér törpe” csillagként képes egyensúlyban tartani önmagát. Subrahmanyan Chandrasekhar azonban 1930-ban bebizonyította, hogy a fehér törpék maximális tömege legfeljebb a Nap tömegének 1,4-szerese lehet. Hasonló maximális értéket számított ki Lev Davidovics Landau szovjet fizikus a teljes egészében neutronokból álló csillagokra.

DS: A fehér törpék és a neutroncsillagok egykor közönséges csillagok voltak, de felélték minden üzemanyagukat. Megszűnt tehát az erő, amely felfújódva tartotta testüket, és már semmi sem állhatott ellen az anyagukat összetömörítő gravitációnak, így a Világegyetem legsűrűbb objektumaivá váltak. A csillagok bajnokságában azonban ezek csak a középmezőnybe tartoznak, ami azt jelenti, hogy gravitációjuk gyenge a teljes összeomlásukhoz. Éppen ezért Stephen Hawking és mások számára a legérdekesebb kérdés az, mi történik a nagyon nagy tömegű csillagokkal, amikor elérik életük végét.

Miként alakul annak a számtalan csillagnak a sorsa, amelyeknek nagyobb a tömege egy fehér törpéénél vagy egy neutroncsillagénál, amikor ezekben is kifogy a nukleáris üzemanyag? A kérdést az a Robert Oppenheimer vizsgálta elsőként, aki később az atombomba elkészítéséről lett híres. Néhány, 1939-ben George Volkoffal és Hartland Snyderrel közösen írt cikkében bebizonyította, hogy egy ilyen csillagot nem tart meg a kifelé ható nyomás. Kimutatta, hogy ha a számítás során figyelmen kívül hagyjuk a nyomást, akkor egy homogén, gömbszimmetrikus csillag egyetlen, végtelen sűrűségű ponttá omlik össze. Ezt a pontot nevezzük szingularitásnak.

DS: Szingularitás az, amit akkor kapunk végállapotként, ha egy óriáscsillagot elképzelhetetlenül kicsiny ponttá préselünk össze. Ennek a fogalomnak döntő szerepe volt Stephen Hawking pályája alakulásában. A fogalom ugyanis nemcsak a csillag végállapotát jelenti, hanem egy sokkal alapvetőbb, az egész Világegyetem kialakulása kezdőpontjára vonatkozó elgondolást is. Hawking számára az ezekkel kapcsolatos matematikai munkája hozta meg a szakmai elismertséget az egész világon.

A térre vonatkozó összes elméletünk azon a feltevésen alapul, amely szerint a téridő folytonos és jó közelítéssel sík, ám az előbbi a szingularitásnál megszakad, így a téridő görbülete ott végtelenné válik. Valójában a szingularitás magának az időnek a végét jelenti. Ez az, amit Einstein oly visszataszítónak talált.

DS: Einstein általános relativitáselmélete kimondja, hogy a testek eltorzítják maguk körül a téridőt. Képzeljünk el egy ugróasztalra helyezett bowling-golyót, amely megváltoztatja maga körül a gumifelület alakját, és ezért a kisebb tárgyak feléje csúsznak.

Ugyanígy magyarázzuk a gravitáció hatását. Ha azonban a téridő görbülete egyre nő, majd végül végtelenné válik, akkor a tér és az idő jól ismert szabályai érvényüket vesztik.

Ezután közbejött a II. világháború. A legtöbb természettudós – Oppenheimert is beleértve – érdeklődése a magfizika felé fordult, így a gravitációs összeomlás problémája fokozatosan feledésbe merült. A témakör iránt csak akkor éledt fel újra az érdeklődés, amikor felfedezték a kvazároknak nevezett, nagyon távoli objektumokat.

DS: A kvazárok a Világegyetem legfényesebb, és valószínűleg az eddig megfigyelt legtávolabbi objektumai. Elnevezésük a „csillagszerű rádióforrás” angol megfelelőjét alkotó szavak (quasi-stellar radio sources) összevonásából ered. Feltételezik, hogy a kvazárokat fekete lyukak körül örvénylő anyag alkothatja.

Az első kvazárt, a 3C273 jelű objektumot 1963-ban fedezték fel. Hamarosan számos további kvazárt is találtak. Nagyon nagy távolságuk ellenére fényeseknek látszottak. Energia-kibocsátásukat atommag-reakciókkal nem lehetett megmagyarázni, mert nyugalmi tömegüknek csak csekély hányadát sugározzák ki tiszta energia formájában. Egyetlen alternatívaként a gravitációs összeomlás során felszabaduló gravitációs energia kínálkozott. Ennek köszönhetően a csillagok gravitációs kollapszusa újra az érdeklődés homlokterébe került.

Azt már tudták, hogy egy homogén, gömbszimmetrikus csillag egyetlen, végtelen sűrűségű ponttá, vagyis szingularitássá húzódna össze. Az Einstein-egyenletek azonban nem működnek a szingularitásban. Ez azt jelenti, hogy ebben a végtelen sűrűségű pontban nem tudjuk előrejelezni a jövőt, amiből viszont az következik, hogy valamilyen roppant furcsa dolog történik, amikor egy csillag összeomlik. Az előrejelzés készítésének lehetetlenné válása nem érdekelne bennünket, ha a szingularitás csupasz lenne, azaz, ha semmi sem takarná el a külvilág elől.

DS: A „csupasz” szingularitás elméleti lehetőség, amelyben egy csillag összeomlik, körülötte azonban nem alakul ki az eseményhorizont – vagyis a szingularitás látható maradna.

Amikor John Wheeler 1967-ben elterjesztette a fekete lyuk fogalmát, akkor ezzel az objektum korábbi nevét, a „befagyott csillagot” helyettesítette. A Wheeler alkotta fogalom azt hangsúlyozza, hogy az összeomlott csillagok önmagukban is érdekesek, függetlenül attól, hogyan jöttek létre.

A gyorsan közismertté vált új elnevezés valamilyen sötét és misztikus dolgot sugallt.

A franciák azonban azért franciák, hogy ők valamilyen pajzán felhangot érezzenek a kifejezésben. Ezért aztán éveken át ellenálltak a trou noir használatának, obszcénnek minősítve a fogalmat. Ám az erőlködésük kicsit arra emlékeztetett, amikor ellenálltak a le weekend és más, az angolból „franciásodott” szavak használatának. Végül azután ők is beadták a derekukat. Ki tudna ellenállni egy ennyire sikeres elnevezésnek?

Kívülről nézve nem tudjuk megmondani, mi van egy fekete lyuk belsejében. Beledobhatunk egy tévékészüléket, gyémántgyűrűket, vagy akár legádázabb ellenségünket, a fekete lyuk semmi másra sem fog emlékezni, csak a teljes tömegre, a forgási állapotra (az impulzusmomentumra) és az elektromos töltésre. John Wheeler ezt az elvet úgy fejezte ki, hogy „a fekete lyuknak nincs haja”. A franciák ezt úgy értették, hogy „a fekete lyuk nem szőrös”, ami csak tovább erősítette szörnyű gyanakvásukat.

A fekete lyuknak azonban van határa, amelyet eseményhorizontnak nevezünk.

Ez az a hely, ahol a gravitáció már elég erős ahhoz, hogy a fénysugarat is visszahúzza, megakadályozva ezzel a kijutását. Mivel semmi sem mozoghat a fénynél gyorsabban, ezért a lyuk minden mást is visszahúz.

Az átjutás az eseményhorizonton kicsit ahhoz hasonlítható, mintha valaki kenuval akarna átjutni a Niagara vízesésen. Ha a vízesés tetején vagyunk, akkor még kiszabadulhatunk, feltéve, hogy elég gyorsan tudunk lapátolni. Ha viszont már túljutottunk a vízesés peremén, akkor örökre elvesztünk. Onnan már nincs visszaút. Ahogy közeledünk a vízeséshez, az áramlás egyre sebesebbé válik. Ez azt jelenti, hogy erősebben húzza a kenu elejét, mint a hátulját.

Fennáll annak a veszélye, hogy a kenu kettészakad. Ugyanez a helyzet a fekete lyukak esetében is. Ha lábunkkal előre a fekete lyuk felé zuhanunk, akkor a gravitáció erősebben vonzza a lábunkat, mint a fejünket, mert a lábunk közelebb van a fekete lyukhoz. Ennek következtében testünk a hossztengelye mentén megnyúlik, oldalirányban viszont összepréselődik.

Ha a fekete lyuk tömege néhány naptömeg, akkor testünk még az eseményhorizont elérése előtt spagetti alakúvá nyúlik, majd széjjelszakad. Ha ezzel szemben egy sokkal nagyobb fekete lyuk felé esünk, amelynek tömege milliószorosa a Napénak, akkor minden nehézség nélkül elérhetjük az eseményhorizontot. Ha tehát fel akarjuk deríteni egy fekete lyuk belsejét, akkor vizsgálódásunk tárgyául minél nagyobb objektumot válasszunk. A Tejútrendszer középpontjában például egy olyan nagy fekete lyuk helyezkedik el, amelynek tömege körülbelül négymilliószor akkora, mint a Napé.

DS: A tudósok úgy gondolják, hogy lényegében minden galaxis középpontjában óriási fekete lyukak vannak – az ötlet figyelemre méltó, különösen, ha tekintetbe vesszük, mennyire újkeletű ezeknek az objektumoknak a felfedezése.

Bár mi magunk semmi különöset sem vennénk észre, miközben belezuhannánk egy fekete lyukba, valaki, aki távolról figyel minket, soha nem láthatná, amint átlépjük az eseményhorizontot. Ehelyett azt tapasztalná, hogy mozgásunk lelassul, és közvetlenül az eseményhorizont külső oldala közelében lebegünk. Képünket egyre halványabbnak és egyre vörösebbnek látná, míg végül ténylegesen szem elől téveszt minket. A külső világ számára ezzel örökre elvesznénk.

DS: Mivel a fekete lyukból nem jut ki a fény, egyetlen külső szemlélő sem lehetne ténylegesen tanúja a leereszkedésünknek. A világűrben senki sem hallaná a kiáltásunkat; ugyanígy senki sem láthatná, amint eltűnünk a fekete lyukban.

Hatalmas előrelépést jelentett ezeknek a rejtélyes objektumoknak a megértésében egy 1970-es matematikai felfedezés.

Ennek a lényege az, hogy a fekete lyukat körülvevő határfelület, tehát az esemény-horizont határfelülete mindig nő, amikor további anyagot vagy sugárzást nyel el.

Az eseményhorizontnak ebből a tulajdonságából az következik, hogy az eseményhorizont felszínének nagysága a hagyományos newtoni fizika egyik fogalmára, nevezetesen a termodinamikában előforduló entrópiára emlékeztet. Az entrópiát valamely rendszer rendezetlensége mértékének tekinthetjük, vagy ami ezzel egyenértékű, annak, hogy nem ismerjük a rendszer pontos állapotát.

A termodinamika híres második főtétele kimondja, hogy az entrópia időben mindig nő. Az 1970-es felfedezés az első nyomot jelentette e különös kapcsolat feltárása felé.

DS: Az entrópia növekedése azt jelenti, hogy bármely, valamiféle rendezettséget mutató rendszer az idő múlásával egyre rendezetlenebbé igyekszik válni – Így például a falat alkotó rendezetten beépített téglák (ez az alacsony entrópiájú állapotuk) előbb-utóbb rendezetlen romhalmazzá válnak (ez a magas entrópiájú állapot). Ezt a folyamatot a termodinamika második főtétele írja le.

Bár nyilvánvalóvá vált, hogy fennáll a kapcsolat az entrópia és az eseményhorizont felszíne között, az egyáltalán nem volt magától értetődő a számunkra, miként lehet ennek a felületnek a nagyságát magának a fekete lyuknak az entrópiájával jellemezni. Mit jelent egyáltalán a fekete lyuk entrópiája? A döntő felismerés 1972-ben Jakob Bekenstein agyából pattant ki, aki akkor a Princetoni Egyetem végzős hallgatója volt, később pedig a jeruzsálemi Héber Egyetemen dolgozott. A következőről van szó. Amikor a gravitációs kollapszus eredményeképpen létrejön egy fekete lyuk, akkor az gyorsan stacionárius állapotba kerül, amelyet mindössze három paraméter ír le: a tömege, az impulzusmomentuma (forgási állapota) és az elektromos töltése.

E három tulajdonságtól eltekintve a fekete lyuk az összeomló objektum semmilyen további tulajdonságát sem őrzi meg.

Ennek a tételnek következménye van az információra, pontosabban az információ kozmológiai értelemben vett fogalmára: az elképzelés szerint az univerzum minden egyes részecskéje és kölcsönhatása magában foglalja a választ egy eldöntendő (igen-nem) kérdésre.

DS: Az információ ebben az értelemben az objektummal kapcsolatba hozható összes részecske és kölcsönhatás ismeretét jelenti. Minél rendezetlenebb valami – vagyis minél nagyobb az entrópiája –, annál több információ szükséges a leírásához. Amint a fizikus és rádiós Jim Al-Khalali megfogalmazta, egy jól megkevert kártyacsomagnak nagyobb az entrópiája, mint a keveretlen csomagé, ezért előbbinek a leírása sokkal több magyarázatot, azaz információt igényel, mint az utóbbié.

Bekenstein tételéből az következik, hogy a gravitációs összeomlás során rengeteg információ elvész. A végső fekete lyuk állapot például független attól, hogy az összeomló test anyagból vagy antianyagból állt-e, mint ahogyan attól is, hogy gömb alakú vagy rendkívül szabálytalan formájú volt-e. Másképp kifejezve azt is megállapíthatjuk, hogy egy adott tömegű, impulzus-momentumú és elektromos töltésű fekete lyuk az anyag igen nagyszámú, különböző elrendeződésének eredményeképpen jöhetett létre – beleértve rengeteg, különböző típusú csillag bármelyikét. Tulajdonképpen ha a kvantummechanikai hatásokat nem vesszük figyelembe, a lehetséges konfigurációk száma végtelen, hiszen a fekete lyuk egy megszámlálhatatlanul sok, mérhetetlenül kis tömegű részecskéből álló felhő összeomlásának eredményeképpen jöhetett létre.

De vajon tényleg végtelen a lehetséges konfigurációk száma? Ez az, ahol a kvantumos hatások színre lépnek.

A kvantummechanika határozatlansági elvéből az következik, hogy csak azok a részecskék alkothatnak fekete lyukat, amelyek hullámhossza kisebb magánál a fekete lyuknál. Ez azt jelenti, hogy a lehetséges hullámhosszak tartománya korlátozott: tehát nem lehet végtelen.

DS: A határozatlansági elvet a híres német fizikus, Werner Heisenberg az 1920-as években sejtette meg.

Az elv azt mondja ki, hogy egyidejűleg soha nem tudjuk teljes pontossággal megadni vagy kiszámítani a legkisebb részecskék pontos helyét és sebességét.

A kvantummechanikainak nevezett léptékben, vagyis a mikrovilágban valamiféle eredendő elmosódottság uralkodik, szöges ellentétben azzal a rendezett univerzummal, amelyet Isaac Newton leírt.

Éppen ezért úgy tűnik, hogy bár az adott tömegű, impulzusmomentumú és elektromos töltésű fekete lyukat eredményező konfigurációk száma nagyon nagy, mégsem végtelen. Jákob Bekenstein szerint ennek a számnak a véges voltából levezethető a fekete lyuk entrópiája. Ez lehet annak az információmennyiségnek a mértéke, amely a fekete lyukat létrehozó összeomlás során óhatatlanul elvész.

Bekenstein ötletének nyilvánvaló súlyos hibája az volt, hogy ha egy fekete lyuk entrópiája véges, és az eseményhorizontja felszínének nagyságával arányos, akkor véges hőmérsékletűnek kell lennie, ami viszont a felszíni gravitációjával lenne arányos.

Ebből az következne, hogy egy fekete lyuk a termikus sugárzás tekintetében egyensúlyi állapotba juthatna, mégpedig valamilyen, nullától különböző hőmérsékleten. Mindamellett, a klasszikus fogalom értelmében ilyen egyensúly nem lehetséges, mert a fekete lyuk minden ráeső termikus sugárzást elnyelne, azonban definíciója szerint ezzel szemben nem lenne képes sem mit sem kisugározni. A fekete lyuk semmit sem bocsát ki. Így hőt sem sugározhat.

DS: Ha információ vész el, ami nyilvánvalóan megtörténik a fekete lyukban, akkor egy kevés energiának fel kell szabadulnia – ez viszont ellentmond az elméletnek, mely szerint a fekete lyukból semmi sem jöhet ki.

Ez egy paradoxon. Mégpedig az, amelyre a következő előadásomban majd visszatérek, amikor azt vesszük szemügyre, milyen kihívást jelentenek a fekete lyukak az univerzum előrejelezhetőségének és a történelem bizonyosságának alapelvére –, valamint feltesszük a kérdést, mi történne, ha egyszer valóban beszippantana minket egy fekete lyuk.

DS: Stephen Hawking tehát olyan tudományos körutazásra vitt el bennünket, amelynek során Einstein állításától, miszerint a csillagok nem omolhatnak össze, a fekete lyukak valóságos voltának elfogadásán keresztül eljutottunk odáig, ahol ezeknek a különös képződményeknek a létezésére és működésére vonatkozó elméletek ellentmondásba kerülnek egymással.

A FEKETE LYUKAK NEM OLYAN FEKETÉK, MINT AMILYENEKNEK LEFESTIK ŐKET

Az adás 2016. február 2-án hangzott el

Az előző előadásomban egy szakadék peremén hagytam önöket: a csillagok összeomlása révén létrejövő, hihetetlenül nagy sűrűségű objektumok, a fekete lyukak természetére vonatkozó paradoxonra bukkantunk. Az egyik elmélet szerint az azonos tulajdonságú fekete lyukak végtelenül sokféle, különböző típusú csillagból keletkezhetnek. Egy másik elmélet szerint viszont a lehetséges típusok száma véges.

A probléma információelméleti, mely szerint a Világegyetem minden részecskéje és minden kölcsönhatása egyértelmű választ tartalmaz egy eldöntendő kérdésre.

Minthogy John Wheeler megfogalmazása szerint „a fekete lyuknak nincs haja”, ezért a külső szemlélő nem tudja megállapítani, mi van a fekete lyuk belsejében, eltekintve a tömegétől, forgási állapotától és elektromos töltésétől. Ez azt jelenti, hogy a fekete lyuk rengeteg információt tartalmaz, amely azonban rejtve marad a külvilág elől. Ha a fekete lyuk belsejében rejtőző információ mennyisége magának a lyuknak a méretétől függ, akkor az általános alapelvek értelmében arra számíthatunk, hogy a fekete lyuknak van valamekkora hőmérséklete, vagyis úgy világít, mint egy izzó fémdarab.

Ez azonban lehetetlen, hiszen mindenki tudja, hogy a fekete lyukból semmi sem juthat ki. Legalábbis korábban úgy gondolták.

Ez a paradoxon 1974 elejéig állt fenn, amikor megvizsgáltam, hogyan kellene az anyagnak a fekete lyuk közelében viselkednie, hogy az összhangban legyen a kvantummechanika törvényeivel.

DS: A kvantummechanika az extrém kicsiny méretű dolgok tudománya, amely magyarázatot keres a legkisebb részecskék viselkedésére. Ezek ugyanis nem azoknak a törvényeknek engedelmeskednek, mint amelyek a sokkal nagyobb testek, például a bolygók mozgását irányítják; az ezekre vonatkozó törvényeket elsőként Isaac Newton fogalmazta meg. Stephen Hawking egyik úttörő jelentőségű eredménye volt, hogy a nagyon kicsi dolgok viselkedésének tudományát a nagyon nagy méretű dolgok vizsgálatára alkalmazta.

Legnagyobb meglepetésemre azt találtam, hogy úgy tűnik, mintha a fekete lyukak állandó ütemben részecskéket bocsátanának ki. Mint abban az időben mindenki más, én is kész tényként fogadtam el, hogy a fekete lyuk semmit sem bocsáthat ki magából. Ezért mindent megtettem annak érdekében, hogy megpróbáljak megszabadulni ettől a zavaró körülménytől. De minél többet gondolkoztam rajta, annál jobban ellenállt a kiebrudalásnak, így végül kénytelen voltam elfogadni. Végső soron az győzött meg arról, miszerint ez egy valóságos fizikai folyamat, hogy a számításaim szerint a kirepülő részecskék hullámhossza pontosan termikus eloszlást mutatott. Számításaim szerint a fekete lyuk pontosan úgy hoz létre és bocsát ki részecskéket, mintha közönséges forró test lenne, amelynek hőmérséklete arányos a felszíni gravitációjával és fordítva arányos a tömegével.

DS: Ezekkel a számításokkal mutatták ki elsőként, hogy a fekete lyuk nem szükségszerűen jelent egyirányú zsákutcát. Nem meglepő, hogy az elmélet által megjósolt emissziót Hawking-sugárzásnak nevezték el.

Azóta sokan mások, több különböző megközelítést alkalmazva, matematikai úton bebizonyították, hogy a fekete lyukak termikus sugárzást bocsátanak ki. Ezt a sugárzást például a következőképpen érthetjük meg.

A kvantummechanika törvényeiből az következik, hogy a teret virtuális részecskék és antirészecskék párjai töltik ki. Ezek a virtuális részecskék párokként folytonosan materializálódnak, a részecskék eltávolodnak egymástól, majd újra találkoznak egymással, és annihilálódnak.

DS: Ez az elgondolás azon a felfogáson alapul, miszerint a vákuum sosem teljesen üres. A kvantummechanikai határozatlansági elv értelmében mindig van bizonyos valószínűsége annak, hogy részecskék jönnek létre, bár csak rövid időre. Ilyenkor mindig ellentétes tulajdonságú részecskepárokról van szó, amelyek előbukkannak, majd eltűnnek.

Ezeket a részecskéket „virtuálisaknak” nevezzük, mert a valóságos részecskékkel ellentétben semmilyen részecskedetektorral nem figyelhetők meg közvetlenül. Közvetett hatásuk azonban ennek ellenére kimutatható, létezésük bebizonyítható a gerjesztett hidrogénatomok színképében megfigyelhető energiaszintek általuk létrehozott kicsiny eltolódása, az úgynevezett Lamb-eltolódás révén. Nos, egy fekete lyuk jelenlétében a virtuális részecskepár egyik tagja belezuhanhat a lyukba, míg a másik – immár az annihilálódáshoz szükséges párja nélkül – a lyukon kívül marad. A magára maradt részecske vagy antirészecske párját követve beleeshet a fekete lyukba, de az is előfordulhat, hogy elszökik a végtelenbe, ahol a fekete lyuk által kibocsátott sugárzásként válik észlelhetővé.

DS: A folyamat kulcsa az, hogy ezeknek a részecskéknek a létrejötte és eltűnése mindennapi körülmények közt észrevétlenül megy végbe. Ha azonban a folyamat közvetlenül egy fekete lyuk pereme közelében játszódik le, akkor előfordulhat, hogy a fekete lyuk a pár egyik tagját magába szippantja, a másikat viszont nem. Ilyenkor úgy tűnik, mintha a megszökő részecskét a fekete lyuk „köpte volna ki” magából.

Egy, a Naphoz hasonló tömegű fekete lyukból e folyamat révén olyan lassú ütemben szivárognának csak ki a részecskék, hogy a jelenség kimutathatatlan maradna. Létezhetnek azonban sokkal kisebb, „mini” fekete lyukak, amelyeknek csak akkora a tömege, mint mondjuk egy hegyé. Egy hegynyi tömegű fekete lyuk körülbelül tízmillió megawatt teljesítménnyel bocsátana ki magából röntgen- és gamma-sugárzást. Ez a teljesítmény elég lenne a világ egész elektromos energiafelhasználásának biztosításához. Nem lenne persze egyszerű munkára fogni egy ilyen mini fekete lyukat. Nem tehetnénk be egy erőműbe, mert a padlót átszakítva azonnal a Föld középpontjában kötne ki. Ha lenne egy ilyen fekete lyukunk, akkor lényegében csak egyetlen módon tudnánk megtartani, ha Föld körüli pályára állítanánk.

Többen is kerestek már ekkora tömegű mini fekete lyukakat, de eddig nem találtak. Nagy kár, mert ha találtak volna, akkor megkaphattam volna a Nobel-díjat. Egy másik lehetőség viszont az lehet, hogy talán képesek lehetünk arra, hogy a téridő extra dimenzióiban mi magunk hozzunk létre parányi fekete lyukakat.

DS: Ezek az „extra dimenziók” olyasvalamit jelentenek, ami túl van a hétköznapi életünkben is jól ismert három térbeli dimenzión, valamint az időn mint negyedik dimenzión. Az ötlet azon erőfeszítések melléktermékeként merült fel, amelyek során azt próbálták megmagyarázni, miért sokkal gyengébb a gravitáció más kölcsönhatásoknál, például a mágnességnél – talán azért, mert párhuzamos dimenziókban is működik.

Egyes elméletek szerint az általunk megfigyelt Világegyetem csupán egy négydimenziós felület egy tíz- vagy tizenegy dimenziós térben. A Csillagok között (Interstellar) című film némi betekintést nyújt abba, milyen is lehet ez. Ezeket az extra dimenziókat nem látnánk, mert a fény csak a mi univerzumunk négy dimenziójában terjedne. A gravitáció azonban hatással lenne az extra dimenziókra, és azokban sokkal erősebb lenne, mint a mi Világegyetemünkben.

Emiatt az extra dimenziókban sokkal könnyebben jöhetnének létre kis fekete lyukak. Ezeket meg lehetne figyelni a Svájcban működő CERN kutatóközpont Large Hadron Collider (nagy hadronütköztető), röviden LHC berendezésében. A berendezés egy 27 kilométer kerületű, kör alakú alagutat tartalmaz. Ebben két részecskenyalábot mozgatnak egymással szemben, majd ezeket összeütköztetik egymással.

Egyes ütközések eredményeképpen picike fekete lyukak jöhetnének létre. Ezek könnyen felismerhető mintát követve sugároznának ki különféle részecskéket. Ez végső soron azt jelentené, hogy mégiscsak megkaphatnám a Nobel-díjat!

DS: A fizikai Nobel-díjat akkor ítélik oda, amikor egy elmélet már „kiállta az idő próbáját”, ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy szilárd bizonyítékok szólnak mellette. Peter Higgs volt például azon tudósok egyike, akik még az 1960-as években felvetették egy olyan részecske létezésének lehetőségét, amelyik az összes többi részecske számára azok tömegét adja meg. Csaknem fél évszázaddal később az LHC két különböző detektorával is kimutatták a Higgs-bozon néven ismertté vált részecske létezésére utaló jeleket.

A felfedezés a tudomány és a műszaki alkotás közös diadala volt, az okos elméleté és a keservesen megszerzett bizonyítéké, aminek eredményeképpen Peter Higgs és a belga tudós, François Englert, megosztva megkapták a díjat. A Hawking-sugárzás létezésére mindeddig nem találtak fizikai bizonyítékot, egyes kutatók szerint túl nehéz feladat lenne a kimutatása. Mindamellett kétségtelen, hogy a fekete lyukakat egyre alaposabban tanulmányozzuk, így egy szép napon a bizonyítékot is megtalálhatjuk.

Amikor részecskék szöknek ki a fekete lyukból, akkor a lyuk veszít a tömegéből, ezért összehúzódik. Ez viszont megnöveli a részecskék kibocsátásának ütemét.

Végül a fekete lyuk teljes tömegét elveszíti, és így eltűnik. Mi történik ezután a fekete lyukba bezuhanó részecskékkel és a szerencsétlen űrhajósokkal? Ők egyszerűen már soha nem térhetnek vissza, amikor a fekete lyuk elenyészik. Úgy tűnik, hogy a fekete lyukba bezuhant objektumokra vonatkozó információ elveszett, kivéve a tömeg, a forgási állapot és az elektromos töltés teljes nagyságát. Ha viszont elvész az információ, akkor ez egy súlyos kérdést vet fel, amely alapjaiban érinti a tudományos megismerés folyamatát.

Több mint kétszáz éve bizonysággal hisszük, hogy létezik a természettudományos determinizmus, ami azt jelenti, hogy a természettudományok törvényei határozzák meg a Világegyetem fejlődését. Ezt az elvet Pierre-Simon Laplace fogalmazta meg, aki kijelentette, hogy ha egy adott pillanatban ismerjük a Világegyetem állapotát, akkor a tudomány törvényei meghatározzák a teljes múltját és jövőjét. Az anekdota szerint Napóleon megkérdezte Laplace-tól, hogyan illeszkedik Isten ebbe a képbe, mire Laplace azt felelte: „Nincs szükségem erre a hipotézisre, uram!” Nem hiszem, hogy ezzel Laplace azt állította volna, hogy Isten nem létezik – csupán annyit jelentett ki, hogy Isten nem avatkozik bele a természet törvényeinek működésébe. Ezt minden természettudósnak el kell fogadnia. Egy tudományos törvény nem lenne tudományos törvény, ha csak akkor lenne érvényes, ha egy természetfölötti lény úgy dönt, hogy engedi a maguk rendje és módja szerint megtörténni az eseményeket, a folyamatba nem avatkozik bele.

Laplace determinizmusában ismerni kell egy adott pillanatban az összes részecske helyét és sebességét, ha előrejelezni akarjuk a jövőt. Figyelembe kell azonban vennünk a kvantummechanika lelkét jelentő határozatlansági elvet, amelyet 1927-ben fogalmazott meg Werner Heisenberg.

Az elv értelmében minél pontosabban ismerjük egy részecske helyét, annál kevésbé pontosan ismerhetjük a sebességét, és viszont. Másként kifejezve, nem ismerhetjük a helyet és a sebességet egyidejűleg pontosan. Hogyan lehet akkor mégis pontosan előrejelezni a jövőt? A válasz az, hogy bár valóban nem ismerhetjük külön-külön a helyet és a sebességet, ki tudjuk számítani viszont az úgynevezett „kvantumállapotot”.

Ez egy olyan fizikai mennyiség, amelyikből bizonyos pontossággal a hely és a sebesség egyaránt kiszámítható. Továbbra is bízhatunk abban, hogy a Világegyetem determinisztikus, abban az értelemben legalábbis, hogy ha ismerjük egy adott időpontban a Világegyetem kvantumállapotát, akkor azt bármely más időpontra is meg tudjuk jósolni.

DS: Ami egyszerűen csak az esemény-horizonton lejátszódó események magyarázataként indult, az hamarosan a tudomány legfontosabb filozófiai problémáinak elemzésévé mélyült. Newton óraműként működő világától és Laplace törvényeitől eljutottunk Heisenberg határozatlansági elvéig, majd addig a pontig, ahol mindezt megkérdőjelezi a fekete lyukak rejtélye. Lényegében Einstein általános relativitáselmélete szerint a fekete lyukba bejutó információ megsemmisül, ugyanakkor a kvantumelmélet azt állítja, hogy az információ nem semmisülhet meg.

Ha az információ elvész a fekete lyukakban, akkor nem lennénk képesek előrejelezni a jövőt, hiszen a fekete lyuk tetszőleges részecskék összességét bocsáthatná ki magából. Kidobhatna magából egy működő tévékészüléket vagy Shakespeare összes műveit bőrkötésben, bár az efféle egzotikus objektumok kibocsátásának felettébb csekély a valószínűsége. Úgy tűnhet, nincs különösebb jelentősége, meg tudjuk-e jósolni, mi fog kijönni a fekete lyukakból. Hiszen a közelünkben nincsenek fekete lyukak.

Ez azonban elvi kérdés. Ha a determinizmus, azaz a Világegyetem viselkedésének előrejelezhetősége sérül a fekete lyukak esetében, akkor más esetekben is sérülhet. Vagy ami még ennél is rosszabb, ha sérül a determinizmus, akkor még a múltunkban sem lehetünk teljességgel bizonyosak. A történelemkönyveink és az emlékeink csak illúziók lehetnek. A múlt határozza meg, kik vagyunk; ha viszont elvész a múltunk, akkor elveszítjük az önazonosságunkat is.

Éppen ezért nagyon fontos volt kideríteni, vajon valóban elvész-e az információ a fekete lyukban, vagy pedig – elvben legalább – helyreállítható. Sok tudós úgy érezte, hogy az információ nem veszhet el, de senki sem tudott olyan mechanizmust javasolni, amellyel megőrizhető lenne. A vita évekig folyt. Végül úgy éreztem, megtaláltam a választ. Richard Feynman elképzeléséből indultam ki, aki szerint egyetlen történelem helyett számtalan különböző, lehetséges történelem létezik, amelyek mindegyikének megvan a maga valószínűsége. Ebben az esetben két történetről van szó. Az egyikben jelen van egy fekete lyuk, amelyikbe belehullhatnak a részecskék; a másik történetben nincs ilyen fekete lyuk.

A lényeg az, hogy kívülről szemlélve senki sem tudhatja teljes bizonyossággal, van-e fekete lyuk, vagy nincs. Mindig van tehát valamekkora valószínűsége annak, hogy nincs jelen fekete lyuk. Ez a lehetőség elég ahhoz, hogy megőrződjék az információ, jóllehet ezt az információt nem túl hasznos formában kapjuk vissza. Olyan ez, mintha elégetnénk egy lexikont. Ha összegyűjtjük a füstöt és a hamut, akkor az információ nem vész el, bár elég körülményes lenne elolvasni. A fizikus Kip Thorne és jómagam fogadtunk egy másik fizikussal, John Preskill-lel, hogy elvész-e az információ a fekete lyukban.

Amikor megsejtettem, miként lehet az információt megőrizni, elismertem, hogy elveszítettem a fogadást. Adtam John Preskillnek egy lexikont. De talán jobb lett volna, ha csak a hamuját adom oda neki.

DS: Elméletileg, és a Világegyetem tisztán determinisztikus képét alapul véve, elégethetünk egy lexikont, majd hamvaiból visszaállíthatjuk az eredetit – feltéve, hogy ismerjük a papírt és a nyomdafestéket alkotó minden egyes molekula összes atomjának a tulajdonságait és a helyét, és ezeket mindvégig követni tudjuk.

Jelenleg cambridge-i kollégámmal, Malcolm Perryvel és a Harvardról érkezett Andrew Stromingerrel egy új, a szupertranszlációnak nevezett matematikai elgondoláson alapuló elméleten dolgozunk. Az a célunk, hogy magyarázatot adjunk arra a mechanizmusra, amellyel visszakaphatjuk az információt a fekete lyukból. Új elméletünk szerint az információ a fekete lyuk eseményhorizontjában van kódolva. Figyeljük meg ezt a teret!

DS: Miután elkészült a „Reith-előadás” hangfelvétele, Hawking professzor és munkatársai publikáltak egy cikket, amely matematikai példát hoz fel arra hogy az eseményhorizontban információt lehet tárolni. Az elmélet értelmében az információt a szupertranszlációnak nevezett folyamat révén kétdimenziós hologrammá lehet alakítani. A „Soft Hair on Black Holes” (Piheszőrök a fekete lyukon) című cikk bepillantást enged ennek a szakterületnek a csak beavatottak számára érthető nyelvezetébe – amint azt a cikk ezen előadás végén közölt kivonata bizonyítja –, valamint abba a nehéz feladatba, amellyel a tudósok szembesülnek, amikor mindezt megpróbálják közérthetővé tenni.

Mit mond ez nekünk arról, hogy lehetséges-e beleesni egy fekete lyukba, majd onnan kijutni egy másik univerzumba?

Az alternatív történelmek létezése fekete lyukakkal és azok nélkül arra enged következtetni, hogy ez talán lehetséges. A fekete lyuknak nagynak kell lennie, és ha forogna, akkor talán átjárót alkothatna egy másik univerzum felé. A mi Világegyetemünkbe azonban nem lenne lehetséges visszajönni, így aztán, bármilyen izgalmasnak tűnik is számomra egy ilyen űrutazás, ezt nem szeretném kipróbálni.

DS: Ha egy fekete lyuk forog, akkor a végtelenül nagy sűrűségű pont értelmében nem lehet szingularitása. Ehelyett elképzelhető például egy gyűrű formájában létező szingularitás. Ezek után viszont elgondolkozhatunk azon, hogy talán nemcsak beleesni lehet egy fekete lyukba, hanem keresztül is lehet utazni rajta. Ez azt jelentené, hogy elhagyjuk az általunk ismert univerzumot. Stephen Hawking ebből gyötrően izgalmas következtetésre jut: talán lehet valami a másik oldalon is.

Azt üzenem tehát, hogy a fekete lyukak korántsem olyan feketék, mint amilyeneknek lefestik őket. Nem olyan örök börtönök, ahogyan azt egykor elképzelték. A dolgok igenis kijuthatnak a fekete lyukakból, akár ebbe a Világegyetembe, akár egy másikba.

Ha tehát ön úgy érzi, hogy egy fekete lyuk belsejében van, ne adja fel a reményt: van kiút!

Ha mást is szeretnének elolvasni Stephen Hawkingtól…

AZ IDŐ RÖVID TÖRTÉNETE – AZ ŐSROBBANÁSTÓL A FEKETE LYUKAKIG

Hawking professzor világszerte nagyra értékelt mesterművében áttekinti a mindenségre vonatkozó nagy elméleteket, Newtontól Einsteinig, majd belemerül a tér és az idő lényegének titkaiba – az Ősrobbanástól a fekete lyukakig, a spirálgalaxisokon és a húrelméleten keresztül. Az idő rövid története először 1988-ban jelent meg, majd hamar mérföldkővé vált a tudomány népszerűsítésében. Tömör és világos nyelvezetének köszönhetően milliók ismerhetik meg az univerzum csodáit.

EINSTEIN ÁLMA ÉS EGYÉB ÍRÁSOK

A szívhez szólóan személyestől a szikáran tudományosig nagyon sokféle rövidebb írásának ebből az első gyűjteményéből megismerhetjük Stephen Hawkingot, a tudóst, az embert, az aggódó világpolgárt és – mint mindig – a szigorúan következetes, de nagy képzelőerejű gondolkodót. Akár az első óvodai élményeire emlékezik vissza, akár azoknak szúr oda, akik arrogánsan úgy gondolják, hogy a tudományt csak a tudósok értik meg, ezért rájuk kell hagyni, akár a Világegyetemünk eredetét és jövőjét taglalja, akár Az idő rövid története jelenséget elemzi, Stephen Hawking mindig értelmesen, világosan és lényegre törően fogalmaz, olyan stílusban, amely korunk egyik legjelentősebb ismeretterjesztőjévé tette őt.

A VILÁGEGYETEM DIÓHÉJBAN

Ez a gazdagon illusztrált kötet bevezet az elméleti fizika legaktuálisabb kutatási területeibe, ahol az igazság gyakran minden képzeletet felülmúlóan különös. Ebben a könyvében Stephen Hawking Az idő rövid története megjelenése óta eltelt évtized legjelentősebb, áttörést hozó felfedezéseivel foglalkozik. Megismertet azzal, ahogyan ő maga feltárta a világ újabb titkait – a szupergravitációtól a szuperszimmetriáig, a kvantumelmélettől az M-elméletig, a holográfiától a dualitásig. Legizgalmasabb szellemi kalandjában egyetlen, átfogó elméletté igyekszik egyesíteni Einstein általános relativitáselméletét és Richard Feynman sokszoros történelmekre vonatkozó elgondolását, amely elmélet mindent leír, ami csak a Világegyetemben történik.

A NAGY TERV – ÚJ VÁLASZOK AZ ÉLET NAGY KÉRDÉSEIRE

(Leonard Mlodinowval)

Mikor és hogyan kezdődött az Világegyetem története? Miért vagyunk itt? Vajon a Világegyetemünkre érvényesnek látszó „nagy terv” bizonyítékot jelent egy jóindulatú Teremtő létezése mellett, aki mozgásba hozta? Vagy a természettudomány más választ ad erre a kérdésre? Ebben a legújabb, jelentős művében, amelyet Leonard Mlodinow amerikai fizikussal közösen írt, bemutatja a legújabb, a Világegyetem titkaira vonatkozó tudományos elképzeléseket. Stílusa egyszerre zseniális és egyszerű.

A modellfüggő realizmus, a multiverzum, a kozmológia felülről lefelé irányuló megközelítése, az egyesített M-elmélet mind feltárulnak a legújabb felfedezések tömör és meghökkentő úti kalauzában. Megismerjük azokat a felfedezéseket, amelyek megváltoztatják a világról alkotott felfogásunkat, miközben megsemmisítéssel fenyegetik a szívünkhöz legközelebb álló hitbéli rendszereinket.

PIHESZŐRÖK A FEKETE LYUKON

Soft Hair on Black Holes
arXiv:1601.00921v1 [hep-th] 5 Jan 2016

Stephen W. Hawking, Malcolm J. Perry and Andrew Strominger

DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge, Cambridge, CBS OWA UK Center for the Fundamental Laws of Nature, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA

Abstract

It has recently been shown that BMS supertranslation symmetries imply an infinite number of conservation laws for all gravitational theories in asymptotically Minkowski an spacetimes. These laws require black holes to carry a large amount of soft (i.e. zero-energy) supertranslation hair. The presence of a Maxwell field similarly implies soft electric hair. This paper gives an explicit description of soft hair in terms of soft gravitons or photons on the black hole horizon, and shows that complete information about their quantum state is stored on a holographic plate at the future boundary of the horizon. Charge conservation is used to give an infinite number of exact relations between the evaporation products of black holes which have different soft hair but are otherwise identical. It is further argued that soft hair which is spatially localized to much less than a Planck length cannot be excited in a physically realizable process, giving an effective number of soft degrees of freedom proportional to the horizon area in Planck units.

Forrás: arXiv: 1601.00921 v1 [hep-th] 2016. jan. 5.

PIHESZŐRÖK A FEKETE LYUKON

Stephen W. Hawking, Malcolm J. Perry, Andrew Strominger

KIVONAT

A közelmúltban kimutatták, hogy a BMS szupertranszlációs szimmetriákból az aszimptotikusan Minkowski-féle téridőkben minden gravitációelméletre végtelen számú megmaradási törvény következik.

Ezek a törvények megkövetelik, hogy a fekete lyukak nagy mennyiségű, lágy (azaz nulla energiájú) szupertranszlációs hajat hordozzanak. Egy Maxwell-féle tér jelenlétéből hasonlóan lágy elektromos haj következik. Cikkünkben a lágy haj explicit leírását adjuk a fekete lyuk eseményhorizontján található lágy gravitonokkal vagy fotonokkal, valamint kimutatjuk, hogy az ezek kvantumállapotára vonatkozó teljes információ az eseményhorizont jövőbeli határán egy holografikus felületen tárolódik. A töltés-megmaradást felhasználva, végtelen számú egzakt kapcsolatot adunk a fekete lyuk párolgási termékei között, amelyek lágy haja különböző, de egyébként azonosak egymással. A továbbiakban amellett érvelünk, hogy a térben a Planck-hosszúságnál sokkal kisebb területre lokalizált lágy haj nem gerjeszthető semmilyen fizikailag megvalósítható folyamattal, amely az eseményhorizont Planck-egységben kifejezett területével arányos számú lágy szabadsági fokot biztosít.

IRODALOM

STEPHEN HAWKINGGAL KAPCSOLATOS, MAGYARUL MEGJELENT MŰVEK

Stephen Hawking művei

Stephen Hawking: Az idő rövid története a Nagy Bummtól a fekete lyukakig

(Maecenas Könyvkiadó, Budapest, 1989)

Stephen Hawking – Roger Penrose:

A tér és az idő természete

(Akkord Kiadó, Budapest, 1999 és 2011)

Stephen Hawking – Roger Penrose – Abner Shimony – Nancy Cartwright:

A nagy, a kicsi és az emberi elme (Akkord Kiadó, Budapest, 2003 )

Stephen Hawking: Einstein álma és egyéb írások

(Vince Kiadó, Budapest, 1999, 2000 és 2001)

Stephen Hawking: A Világegyetem dióhéjban

(Akkord Kiadó, Budapest. 2002 és 2011)

Stephen Hawking: Az idő rövid története

(Akkord Kiadó, Budapest, 2003 és 2009)

Stephen Hawking: Az idő rövid története - A felújított kiadás illusztrált változata

(Akkord Kiadó, Budapest, 2004)

Stephen Hawking – Leonard Mlodinow:

Az idő még rövidebb története

(Akkord Kiadó, Budapest, 2006 és 2015)

Stephen Hawking: A mindenség elmélete: a világegyetem eredete és sorsa

(Kossuth Könyvkiadó, Budapest, 2009)

Stephen Hawking – Leonard Mlodinow:

A nagy terv – új válaszok az élet nagy kérdéseire

(Akkord Kiadó, Budapest, 2011 és 2016)

Stephen Hawking: Az én rövid történetem

(Akkord Kiadó, Budapest, 2014)

Ifjúsági regények

Lucy & Stephen Hawking:

George kulcsa a rejtélyes univerzumhoz (Könyvmolyképző Kiadó, Szeged, 2008 és 2013)

Lucy & Stephen Hawking:

George kozmikus kincsvadászata (Könyvmolyképző Kiadó, Szeged, 2009)

Lucy & Stephen Hawking: George és az ősrobbanás (Könyvmolyképző Kiadó, Szeged, 2011)

Stephen Hawkingról megjelent könyvek

Ferguson, Kitty: Stephen Hawking élete és világa:
korunk egy kivételes, ünnepelt és rettenthetetlen személyiségének élete és tudományos munkássága
(Kossuth Könyvkiadó, Budapest, 2012)

Hawking, Jane: Utazás a végtelenbe

(Libri Könyvkiadó, Budapest, 2015)

Lennox, John C.: Isten és Stephen Hawking: mégis ki tervezte a mindenséget?

(Koinónia, Kolozsvár, 2016)

Mania, Hubert: Isten mégis kockázik!

Stephen Hawking

(Háttér Kiadó, Budapest, 2005)

Strathern, Paul: Hawking

(Elektra Kiadóház, Budapest, 2000)

Vaas, Rüdiger: Hawking új univerzuma

(Akkord Kiadó, Budapest, 2013)

White, Michael: Stephen Hawking: élete a tudomány

(Szakálos Kiadó, Budapest, 2000)

Stephen Hawkingot Einstein óta a világ legzseniálisabb elméleti fizikusának tartják.

1963-ban, huszonegy éves korában, amikor a Cambridge-i Egyetem végzős hallgatója volt, mozgatóidegei sorvadását diagnosztizálták (amiotrófiás laterális szklerózis, ALS), és az orvosai úgy gondolták, legfeljebb két éve lehet hátra. Ennek ellenére nem adta fel, zseniális kutatóvá vált, a Cambridge-i Egyetemen a Gonville és Caius College professzora lett. Később a matematika és az elméleti fizika Lucas-professzorává nevezték ki, tehát ugyanazt a professzori állást töltötte be, amelyet Isaac Newton 1669-től több mint 30 éven keresztül. Hawking professzor jelenleg a Cambridge-i Egyetem Elméleti Kozmológiai Központjának kutatási igazgatója. Tucatnyinál is több tiszteletbeli cím birtokosa, 1989-ben pedig elnyerte a brit becsületrend tagságát is. A Royal Society, valamint az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának tagja.

Hawking professzor az egész világon óriási sikert aratott Az idő rövid története című ismeretterjesztő könyvével. További sikeres, a nagyközönségnek szóló könyvei: Az idő még rövidebb története, az Einstein álma című esszégyűjtemény, A Világegyetem dióhéjban és A nagy terv. Cambridge-ben él.

David Shukman a BBC News tudományos szerkesztője, aki 2003 óta tudományos és környezetvédelmi kérdésekkel foglalkozik. Ő tudósított az utolsó amerikai űrrepülőgép indításáról éppúgy, mint a CERN nagy hadronütköztetőjében született felfedezésekről. Dávid tudósításai rendszeresen hallhatók a BBC News at Ten (Hírek tízkor) című műsorában. Három könyv szerzője.

Lektorálta: Horvai Ferenc

A könyv első angol nyelvű kiadása a Black Holes: The Reith Lectures címmel jelent meg a Transworld (Random House) kiadó gondozásában.

A BBC Rádió 4 a Tényleg csupaszok a fekete lyukak? c. műsort 2016. január 26-án, az A fekete lyukak nem olyan feketék, mint amilyennek lefestik őket c. műsort 2016. február 2-án sugározta.

Az illusztrációkat a Cognitive (wearecognltive.com) készítette a BBC Radio 4 számára.

Akkord Kiadó, 2017

Felelős kiadó: Földes Tamás

Felelős szerkesztő: Várlaki Tibor

Szerkesztette: Oláh Judit

Tördelés, tipográfia: Malum Stúdió

Borító: Kühne Andrea

Készült a Borsodi Nyomda Kft.-ben

Felelős vezető: Ducsai György