Äskettäinen Stephen Hawkingin artikkeli on herättänyt melko levottomuutta, joka jopa on johtanut Nature Newsin julistamaan, ettei mustia aukkoja ole. Kuten kirjoitin aiemmassa viestissä, se ei ole aivan sitä, mitä Hawking väitti. Mutta on nyt selvää, että Hawkingin väite mustista reikistä on väärä, koska paradoksi, johon hän yrittää puuttua, ei ole loppujen lopuksi paradoksi.
Kaikki laskeutuu siihen, mitä kutsutaan palomuuriparadokseksi mustille reikille. Mustan aukon keskeinen piirre on sen tapahtumahorisontti. Mustan aukon tapahtumahorisontti on pohjimmiltaan paluumatka, kun lähestyt mustaa reikää. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriassa tapahtumahorisontti on paikka ja aika, jonka painovoima on niin vääntänyt, että et koskaan pääse pakenemaan. Ylitä tapahtumahorisontti ja olet ikuisesti loukussa.
Tämä tapahtumahorisontin yksisuuntainen luonne on jo pitkään ollut haaste gravitaatiofysiikan ymmärtämiselle. Esimerkiksi mustan aukon tapahtumahorisontti näyttää rikkovan termodynamiikan lakeja. Yksi termodynamiikan periaatteista on, että missään ei saa olla absoluuttisen nollan lämpötilaa. Jopa erittäin kylmät asiat säteilevät vähän lämpöä, mutta jos musta reikä tarttuu valoon, se ei anna lämpöä. Joten mustan aukon lämpötila olisi nolla, minkä ei pitäisi olla mahdollista.
Sitten vuonna 1974 Stephen Hawking osoitti, että mustat aukot säteilevät valoa kvanttimekaniikan takia. Kvantiteoriassa on olemassa raja, mistä objektista voi tietää. Et voi esimerkiksi tietää esineen tarkkaa energiaa. Tämän epävarmuuden takia järjestelmän energia voi vaihdella spontaanisti, kunhan sen keskiarvo pysyy vakiona. Se, mitä Hawking osoitti, on, että lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia voi muodostua paria hiukkasia, joissa yksi hiukkasista jää loukkuun tapahtumahorisontin sisällä (vähentää mustien reikien massaa hiukan), kun taas toinen voi paeta säteilynä (kantaen vähän mustan aukon energia).
Vaikka Hawkingin säteily ratkaisi yhden ongelman mustien reikien kanssa, se loi toisen ongelman, joka tunnetaan palomuuriparadoksina. Kun kvanttihiukkaset ilmestyvät pareittain, ne takertuvat, mikä tarkoittaa, että ne ovat kytketty kvantti tavalla. Jos yksi hiukkanen vangitsee mustan aukon, ja toinen karkaa, parin takertunut luonne rikkoutuu. Kvanttimekaniikassa sanoisimme, että partikkelipari esiintyy puhtaassa tilassa ja tapahtumahorisontti näyttäisi rikkovan kyseisen tilan.
Viime vuonna osoitettiin, että jos Hawkingin säteily on puhtaassa tilassa, niin se joko ei voi säteillä termodynamiikan edellyttämällä tavalla, tai se voisi luoda palomuurin, jolla on paljon energiahiukkasia tapahtumahorisontin pinnan lähellä. Tätä kutsutaan usein palomuuriparadokseksi, koska yleisen relatiivisuuden suhteen, jos satut olemaan lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia, sinun ei pitäisi huomata mitään epätavallista. Perusidea yleisestä suhteellisuudesta (vastaavuusperiaate) edellyttää, että jos putoat vapaasti kohti tapahtumahorisonttia, ei pitäisi olla raivoava palomuuri, jossa on paljon energiaa sisältäviä hiukkasia. Hawking ehdotti paperissaan ratkaisua tähän paradoksiin ehdottamalla, että mustilla reikillä ei ole tapahtumahorisonttia. Sen sijaan heillä on selkeä näkymä, joka ei vaadi palomuuria termodynamiikan noudattamiseksi. Siksi julistus "ei enää mustia aukkoja" suositussa lehdistössä.
Mutta palomuuriparadoksi syntyy vain, jos Hawkingin säteily on puhtaassa tilassa, ja Sabine Hossenfelderin viime kuussa julkaistu tutkimus osoittaa, että Hawkingin säteily ei ole puhtaassa tilassa. Hossenfelder osoittaa paperissaan, että sen sijaan, että se johtuu takertuneista hiukkasista, Hawkingin säteily johtuu kahdesta parista takertuneita hiukkasia. Yksi sotkeutunut pari jää mustan aukon loukkuun, kun taas toinen sotkeutunut pari pakenee. Prosessi on samanlainen kuin Hawkingin alkuperäinen ehdotus, mutta Hawkingin hiukkaset eivät ole puhtaassa tilassa.
Joten paradoksia ei ole. Mustat aukot voivat säteillä tavalla, joka sopii yhteen termodynamiikan kanssa, eikä tapahtumahorisontin lähellä olevalla alueella ole palomuuria, kuten yleinen suhteellisuusteoria vaatii. Joten Hawkingin ehdotus on ratkaisu ongelmaan, jota ei ole olemassa.
Olen esittänyt täällä erittäin karkean yleiskuvan tilanteesta. Olen loihtanut joitain hienoimpia näkökohtia. Tarkempi (ja huomattavasti selkeä) yleiskatsaus tarkista Ethan Seigelin viesti hänen blogissaan Aloittaa räjähdys! Katso myös viesti Sabine Hossenfelderin blogissa Back Reaction, jossa hän puhuu aiheesta itse.
