Η ακτινοβολία Hawking

Το 1973, ο Steven Hawking, ύστερα από θεωρητικούς υπολογισμούς, εξέπληξε τον επιστημονική κοινότητα καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι και τόσο μαύρες. Εκπέμπουν ακτινοβολία και μετά από παρέλευση πολλών δισεκατομμυρίων ετών εκρήγνυνται και μετατρέπονται σε λευκές τρύπες.

 

Σύμφωνα με ορισμένες αρχές της κβαντομηχανικής, η πιθανότητα να εμφανιστεί ένα γεγονός είναι πάντα μεγαλύτερη από το μηδέν. Μία από τις πιο παράξενες συνέπειες αυτής της ιδέας είναι ότι αυτό που νομίζουμε σαν «άδειο» ή «κενό» χώρο δεν είναι στην πραγματικότητα καθόλου κενός. Τον γεμίζουν μια θάλασσα εικονικών (virtual)  βραχύβιων σωματιδίων – μικρά κβαντικά σωματίδια που μεταφέρουν ακτινοβολία και βαρύτητα – που είναι σχεδόν, αλλά όχι εντελώς, πραγματικά.

 

Παρ’ ότι είναι πλασματικά, τα εικονικά σωματίδια διαδραματίζουν ένα ζωτικής σημασίας ρόλο στη φυσική της κβαντικής κλίμακας για το πώς λειτουργεί το σύμπαν. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητα για να εξηγήσουν πώς τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν.

 

Κάτω από κανονικές συνθήκες, τα εικονικά σωματίδια σπάνια εμφανίζουν κάποια άξια λόγου αποτελέσματα. Σε ορισμένα ασυνήθιστα περιβάλλοντα, όπως είναι τα ισχυρά βαρυτικά πεδία – που παράγονται από μαύρες τρύπες, μπορούν να «δανειστούν» ενέργεια από το γειτονικό τους χώρο και να γίνουν προσωρινά πραγματικά σωματίδια.

 

Όταν τα εικονικά σωματίδια φανερωθούν, εμφανιστούν δηλαδή στον πραγματικό κόσμο, πρέπει να είναι σε μορφή ζεύγους, ενός σωματίου και του αντισωματίου του. Αυτά μετά από ένα απειροελάχιστο χρόνο εξαϋλώνονται και απελευθερώνουν την ενέργειά τους πίσω στο κενό.

 

Τα εικονικά σωματίδια σε μια μαύρη τρύπα

Εντούτοις, είναι δυνατό τα εικονικά σωματίδια να δανειστούν ενέργεια από μια μαύρη τρύπα και να ‘υλοποιηθούν’ (να γίνουν πραγματικά) ακριβώς στην άκρη του ορίζοντα γεγονότος μιας μαύρης τρύπας. Δηλαδή, το όριο που χωρίζει το «εσωτερικό» από το «εξωτερικό» χώρο μιας μαύρης τρύπας. 

 

Όταν αυτό συμβεί, το ένα σωμάτιο μερικές φορές πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα (προς το χώρο της ανωμαλίας ή ιδιομορφίας), ενώ το άλλο διαφεύγει.

 

Το αποτέλεσμα; Χωρίς τον εικονικό συνεργάτη του, το σωματίδιο που διαφεύγει γίνεται πραγματικό σωματίδιο και μεταφέρει μακριά (έξω από τη μαύρη τρύπα) ένα πολύ μικρό μέρος της μάζας – ενέργειας της μαύρης τρύπας. Έτσι αυτό το σωματίδιο καταναλίσκει περισσότερη ενέργεια από αυτή που έχει, και έτσι συνεισφέρει «αρνητική ενέργεια» στη μαύρη τρύπα.

 

Μπορεί τώρα, σε ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, πολλαπλάσιου της ηλικίας του σύμπαντος (10⁶⁷ χρόνια!), η μαύρη τρύπα τελικά να εξατμιστεί, χάνοντας όλη της την ενέργεια, χάρις στα διαφυγόντα σωματίδια.

 

Αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται σε μας ως να είναι ακτινοβολία που προέρχεται από τη μαύρη τρύπα. Δηλαδή, η ακτινοβολία Hawking.

 

Ο Hawking έφτασε στο συμπέρασμα αυτό, αφού κατόρθωσε να συνδυάσει τρεις τομείς της Φυσικής, που μέχρι τότε πίστευαν ότι δεν είχαν μεγάλη σχέση μεταξύ τους: την θεωρία της σχετικότητας, την κβαντομηχανική και την θερμοδυναμική. Για να την αποδείξει βασίστηκε και στο γνωστό «φαινόμενο σήραγγας» της κβαντομηχανικής.

 

Οι θεωρίες μας λένε ότι όσο μικρότερη μάζα έχει μια μαύρη τρύπα, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της. Αντίθετα, οι μεγάλες μαύρες τρύπες έχουν πολύ χαμηλή θερμοκρασία.

Όταν λοιπόν η μαύρη τρύπα εκπέμπει ενέργεια -σύμφωνα με τις θεωρίες του Hawking- η μάζα της ελαττώνεται και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της αυξάνεται.

 

Αυτό έχει σαν συνέπεια, να εκπέμπει ενέργεια με ταχύτερο ρυθμό και να γίνεται θερμότερη και μικρότερη. Η ελάττωση της μάζας επιταχύνεται προοδευτικά, όσο πιο μικρή και θερμή γίνεται. Όταν φτάσει στα τελευταία δευτερόλεπτα της ζωής της, θα εκραγεί και το ποσόν ενέργειας που θα απελευθερωθεί, ισοδυναμεί με την έκρηξη βόμβας δισεκατομμυρίων μεγατόνων. Μια τέτοια έκρηξη θα παρατηρηθεί ακόμα και σε μια απόσταση πολλών ετών φωτός.

 

Αντιστρέφοντας, χρονικά, τη διαδικασία της κατάρρευσης της ύλης σε μία ανωμαλία, έχουμε μια νέα διαδικασία: τη δημιουργία ύλης από την ανωμαλία μιας μαύρης τρύπας. Αυτή η ύλη, που αναδύεται από την ανωμαλία και διαστέλλεται, ονομάζεται «λευκή τρύπα» (white hole).

 

Οι λευκές τρύπες συμπεριφέρονται ακριβώς αντίστροφα απ’ ό,τι οι μαύρες τρύπες, δηλαδή εκτοξεύουν ύλη αντί να την απορροφούν. Επίσης, η λευκή τρύπα, αντίθετα από τη μαύρη, δεν έχει ορίζοντα γεγονότων.

 

Σημειωτέον η λευκή τρύπα προβλέπεται από τις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας ως μια χρονική αντιστροφή της κατάρρευσης ενός σώματος λόγω βαρύτητας.

 

Η θεωρία του Zel’dovich

Πρέπει όμως να τονίσουμε ότι ο πρώτος που μίλησε για την ακτινοβολία των μαύρων οπών ήταν το 1965 ο Σοβιετικός φυσικός Yakov Borisovich Zel’dovich. Ο Zel’dovich ισχυρίστηκε ότι η δημιουργία μιας μαύρης τρύπας δεν αφήνει ίχνη. Μάλιστα του αποδίδεται και η φράση «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά». Η φράση αυτή σημαίνει ότι η μαύρη τρύπα γίνεται ένα σώμα χωρίς ταυτότητα, και το μόνο που την χαρακτηρίζει είναι το φορτίο, η μάζα και η στροφορμή της.

 

Είχε υποστηρίξει ότι οι μαύρες οπές ακτινοβολούν κι ότι αιτία γι’ αυτή την ακτινοβολία είναι οι βαρυτικές διακυμάνσεις του κενού κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Οι διακυμάνσεις αυτές, που είναι τυχαίες και πολύ μικρές, είναι ένα κβαντικό φαινόμενο που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του ’60 από τον Wheeler.

 

Αυτές οι διακυμάνσεις – στη γειτονιά του ορίζοντα γεγονότων μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας – παράγουν βαρυτικά κύματα που κατευθύνονται προς αυτή. Ένα μέρος του κύματος απορροφάται από την οπή και το υπόλοιπο διαφεύγει στο διάστημα. Η συχνότητα του αρχικού βαρυτικού κύματος, που δημιουργήθηκε  από το κενό, είναι τέτοια που το τμήμα που απορροφήθηκε να έχει αρνητική ενέργεια. Έτσι, το υπόλοιπο που διαφεύγει έχει μεγαλύτερη ενέργεια από το αρχικό κύμα.

 

Τελικά, κατά το μηχανισμό αυτό, μειώνεται η στροφορμή της μαύρης τρύπας και όταν χάσει όλη της την ενέργεια παύει να εκπέμπει βαρυτική ακτινοβολία. Ο Hawking όμως πιστεύει ότι η εκπομπή ακτινοβολίας δεν παύει όταν μηδενιστεί η στροφορμή της.

 

Το βέλος του χρόνου

Μια ασυνήθιστη πτυχή της ακτινοβολίας Hawking είναι ότι μπορεί να είναι μια απόδειξη του «βέλους του χρόνου». Σύμφωνα με την κλασσική φυσική, ο χρόνος στο σύμπαν είναι αναστρέψιμος. Οτιδήποτε που συμβαίνει στο σύμπαν θα μπορούσε εύκολα να συμβεί και «προς τα πίσω», όπως και «προς τα εμπρός».

 

Παραδείγματος χάριν, είναι δυνατό θεωρητικά να αναδημιουργηθεί το περιεχόμενο μιας καμένης εφημερίδας εξετάζοντας τη μορφή της τέφρας, των προϊόντων της καύσης, και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δημιουργήθηκε από την πυρκαγιά. Κάτι, το τελείως παράλογο.

 

Όμως, είναι πέρα από κάθε αμφιβολία ότι ο χρόνος ρέει μόνο «προς τα εμπρός», ένα φαινόμενο που αναφέρεται στη φυσική το «βέλος του χρόνου».

 

Οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση ποτέ να καταλάβουν γιατί να συμβαίνει αυτό στο σύμπαν, παρά τις πολλές προσπάθειες που έγιναν για να εξηγηθεί το φαινόμενο. Μεταξύ των άλλων έχει προταθεί ότι η διάσπαση ορισμένων υποατομικών σωματιδίων μπορεί να συμβεί μόνο προς μία κατεύθυνση, αν και αυτό δεν έχει αποδειχθεί ποτέ.

 

Επίσης, θεωρείται ότι η πτυχή της αβεβαιότητας σε μερικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής (συγκεκριμένα, η ιδέα ότι ένα κβαντικό γεγονός έχει μια τυχαία έκβαση) μπορεί να εξηγήσει γιατί ο χρόνος δεν τρέχει προς τα πίσω.

 

Οι πληροφορίες χάνονται;

Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους, οι μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν πλήθος από δεδομένα σχετικά με τους τύπους, τις ιδιότητες και τη διαμόρφωση των σωματιδίων που πέφτουν μέσα σε αυτές. Αν και η κβαντική θεωρία απαιτεί πως τέτοια πληροφορία πρέπει να διατηρείται, ότι τελικά και να συμβαίνει σε αυτή, αυτό αποτελεί ένα θέμα επιστημονικής διαφωνίας.

 

Οι Steven Hawking και Roger Penrose πιστεύουν πως όταν η μαύρη τρύπα ακτινοβολεί, χάνει την πληροφορία που κράταγε σχετικά με τη μορφή της ύλης και της ενέργειας που η μαύρη τρύπα κατανάλωσε.

 

Οι «πληροφορίες» που περιέχει ένα σωματίδιο το οποίο πέφτει εντός της μαύρης τρύπας, έχουν ουσιαστικά διαγραφεί, χαθεί, καθιστώντας έτσι αδύνατο να αναδημιουργήσουμε τη φύση οποιουδήποτε σωματιδίου έπεσε μέσα.

 

Αλλά ο Hawking δέχεται πως αυτή η απώλεια είναι ανεπανόρθωτη, ενώ ο Penrose το αμφισβητεί και δέχεται πως η απώλεια αντισταθμίζεται από αυθόρμητες μετρήσεις των κβαντικών καταστάσεων με αποτέλεσμα να εισάγεται –επιστρέφει– η πληροφορία πίσω στο σύστημα.

 

Αυτή, όμως, η ερμηνεία συζητείται έντονα στον κόσμο της κβαντικής αστροφυσικής, καθώς προβλέπει το πρώτο παράδειγμα μιας μη-κβαντικής παραβίασης των νόμων της αιτιότητας.

 

Η ανωμαλία μιας μαύρης τρύπας

Το πεπρωμένο όλης της ύλης που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα είναι να συντριβεί σε ένα σημείο μηδενικού όγκου και άπειρης πυκνότητας – η γνωστή ανωμαλία (singularity). Η γενική σχετικότητα, επίσης, συμπεραίνει ότι το σύμπαν άρχισε από μία τέτοια ανωμαλία.

 

Η ανωμαλία είναι μια περιοχή του χωροχρόνου στην οποία οι δυνάμεις βαρύτητας είναι τόσο ισχυρές, που ακόμη και η γενική σχετικότητα, η καλύτερη θεωρία που έχουμε για την περιγραφή της δομής του σύμπαντος,  καταρρέει εκεί.

 

Μια ανωμαλία, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, χαρακτηρίζει ένα σημείο όπου η κυρτότητα του χωρόχρονου είναι άπειρη, ή, με άλλα λόγια, κατέχει μηδενικό όγκο με άπειρη πυκνότητα.

 

Η γενική σχετικότητα απαιτεί οι ιδιομορφίες να προκύπτουν από δύο περιστάσεις.

 

Κατ’ αρχάς, μια ανωμαλία πρέπει να σχηματιστεί κατά τη διάρκεια της δημιουργίας μιας μαύρης τρύπας. Όταν ένα τεράστιο άστρο – πολύ μεγάλης μάζας – φθάνει στο τέλος της ζωής του, ο πυρήνας του καταρρέει. Μέχρι τότε συγκρατιόταν λόγω της πίεσης που εξασκούσε η πυρηνική σύντηξη που λάμβανε χώρα. Έτσι, όλη η ύλη στον πυρήνα συντρίβεται και χάνεται στην ανωμαλία.

 

Δεύτερον, η Γενική Σχετικότητα δείχνει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως είναι ένα διαστελλόμενο σύμπαν όπως το δικό μας πρέπει να έχει ξεκινήσει ως μια ανωμαλία.