Wiskundig fysicus en kosmoloog Stephen Hawking was vooral bekend vanwege zijn onderzoek naar de relatie tussen zwarte gaten en de kwantumfysica. Een zwart gat is het overblijfsel van een stervende superzware ster die in zichzelf is gevallen; deze overblijfselen krimpen samen tot zo'n klein formaat dat de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen. Zwarte gaten doemen op in de populaire verbeelding - schoolkinderen vragen zich af waarom het hele universum niet in elkaar stort. Maar Hawkings zorgvuldige theoretische werk vulde enkele gaten in de kennis van natuurkundigen over zwarte gaten.

Waarom bestaan ​​zwarte gaten?

Het korte antwoord is:Omdat zwaartekracht bestaat, en de lichtsnelheid is niet oneindig.

Stel je voor dat je op het aardoppervlak staat, en schiet een kogel schuin de lucht in. Je standaardkogel komt terug naar beneden, ergens verder weg. Stel je hebt een zeer krachtig geweer. Dan kun je de kogel misschien met zo'n snelheid afschieten dat, in plaats van ver weg naar beneden te komen, het zal in plaats daarvan de aarde "missen". Voortdurend vallen, en voortdurend het oppervlak missen, de kogel zal feitelijk in een baan rond de aarde zijn. Als je geweer nog sterker is, de kogel kan zo snel zijn dat hij de zwaartekracht van de aarde helemaal verlaat. Dit is in wezen wat er gebeurt als we raketten naar Mars sturen, bijvoorbeeld.

Stel je nu voor dat de zwaartekracht veel is, veel sterker. Geen geweer kon kogels genoeg versnellen om die planeet te verlaten. dus in plaats daarvan besluit je om licht te fotograferen. Terwijl fotonen (de lichtdeeltjes) geen massa hebben, ze worden nog steeds beïnvloed door de zwaartekracht, hun pad buigen net zoals de baan van een kogel wordt gebogen door de zwaartekracht. Zelfs de zwaarste planeten zullen de zwaartekracht niet sterk genoeg hebben om het pad van het foton voldoende te buigen om te voorkomen dat het ontsnapt.

Maar zwarte gaten zijn niet zoals planeten of sterren, het zijn de overblijfselen van sterren, verpakt in de kleinste bolletjes, zeggen, slechts een straal van enkele kilometers. Stel je voor dat je op het oppervlak van een zwart gat zou kunnen staan, gewapend met je straalpistool. Je schiet schuin omhoog en merkt dat de lichtstraal buigt, komt naar beneden en mist de oppervlakte! Nu bevindt de straal zich in een "baan" rond het zwarte gat, op een afstand die ongeveer wat kosmologen de Schwarzschild-straal noemen, het punt waar geen terugkeer mogelijk is."

Dus, omdat zelfs licht niet kan ontsnappen van waar je staat, het object dat je bewoont (als je dat zou kunnen) zou er volledig zwart uitzien voor iemand die er van ver naar kijkt:een zwart gat.

Maar ontdekte Hawking dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn?

Het korte antwoord is:Ja.

Mijn eerdere beschrijving van zwarte gaten gebruikte de taal van de klassieke natuurkunde - in feite Newtons theorie toegepast op licht. Maar de wetten van de natuurkunde zijn eigenlijk ingewikkelder omdat het universum ingewikkelder is.

In de klassieke natuurkunde het woord "vacuüm" betekent de totale en volledige afwezigheid van enige vorm van materie of straling. Maar in de kwantumfysica, het vacuüm is veel interessanter, vooral wanneer het zich in de buurt van een zwart gat bevindt. In plaats van leeg te zijn, het vacuüm wemelt van de deeltjes-antideeltje-paren die vluchtig worden gecreëerd door de energie van het vacuüm, maar moeten elkaar kort daarna vernietigen en hun energie teruggeven aan het vacuüm.

Je zult allerlei soorten deeltjes-antideeltje-paren vinden die zijn geproduceerd, maar de zwaardere komen veel minder vaak voor. Het is het gemakkelijkst om fotonparen te produceren omdat ze geen massa hebben. De fotonen moeten altijd in paren worden geproduceerd, zodat ze van elkaar weg bewegen en de wet van behoud van impuls niet schenden.

Stel je nu voor dat er een paar ontstaat net op die afstand van het centrum van het zwarte gat waar de "laatste lichtstraal" circuleert:de Schwarzschild-straal. Deze afstand kan ver van het oppervlak of dichtbij zijn, afhankelijk van hoeveel massa het zwarte gat heeft. En stel je voor dat het fotonenpaar zo is gemaakt dat een van de twee naar binnen wijst - naar jou toe, in het centrum van het zwarte gat, je straalpistool vasthoudt. Het andere foton wijst naar buiten. (Trouwens, je zou waarschijnlijk verpletterd worden door de zwaartekracht als je deze manoeuvre zou proberen, maar laten we aannemen dat je bovenmenselijk bent.)

Nu is er een probleem:het ene foton dat in het zwarte gat is bewogen, kan er niet meer uit komen, omdat het al met de snelheid van het licht beweegt. Het fotonenpaar kan elkaar niet opnieuw vernietigen en hun energie terugbetalen aan het vacuüm dat het zwarte gat omringt. Maar iemand moet de doedelzakspeler betalen en dit zal het zwarte gat zelf moeten zijn. Nadat het het foton heeft verwelkomd in zijn land van geen terugkeer, het zwarte gat moet een deel van zijn massa teruggeven aan het universum:exact dezelfde hoeveelheid massa als de energie die het paar fotonen 'leende, " volgens Einsteins beroemde gelijkheid E=mc².

Dit is in wezen wat Hawking wiskundig liet zien. Door het foton dat de horizon van het zwarte gat verlaat, lijkt het alsof het zwarte gat een zwakke gloed had:de naar hem vernoemde Hawking-straling. Tegelijkertijd redeneerde hij dat als dit veel gebeurt, voor een lange tijd, het zwarte gat zou zoveel massa kunnen verliezen dat het helemaal zou kunnen verdwijnen (of preciezer, weer zichtbaar worden).

Zorgen zwarte gaten ervoor dat informatie voor altijd verdwijnt?

Kort antwoord:Nee, dat zou tegen de wet zijn.

Veel natuurkundigen begonnen zich zorgen te maken over deze vraag kort na de ontdekking van de gloed door Hawking. De zorg is dit:de fundamentele wetten van de fysica garanderen dat elk proces dat "vooruit in de tijd, " kan ook "achteruit in de tijd" gebeuren.

Dit lijkt tegen onze intuïtie in te gaan, waar een meloen die op de vloer spetterde zich nooit op magische wijze weer in elkaar zou zetten. Maar wat er met grote objecten zoals meloenen gebeurt, wordt echt bepaald door de wetten van de statistieken. Om de meloen weer in elkaar te zetten, vele triljoenen atoomdeeltjes zouden hetzelfde achterstevoren moeten doen, en de kans daarop is in wezen nul. Maar voor een enkel deeltje is dat helemaal geen probleem. Dus voor atomaire dingen, alles wat je voorwaarts waarneemt, kan net zo goed achterwaarts gebeuren.

Stel je nu voor dat je een van de twee fotonen in het zwarte gat schiet. Ze verschillen alleen door een markering die we kunnen meten, maar dat heeft geen invloed op de energie van het foton (dit wordt een "polarisatie" genoemd). Laten we deze "linkerfotonen" of "rechterfotonen" noemen. Nadat het linker of rechter foton de horizon heeft gepasseerd, het zwarte gat verandert (het heeft nu meer energie), maar het verandert op dezelfde manier of het linker- of rechterfoton werd geabsorbeerd.

Twee verschillende geschiedenissen zijn nu één toekomst geworden, en zo'n toekomst kan niet worden teruggedraaid:hoe zouden de natuurwetten weten welke van de twee verledens ze moeten kiezen? Links of rechts? Dat is de schending van tijdomkeringsinvariantie. De wet vereist dat elk verleden precies één toekomst moet hebben, en elke toekomst precies één verleden.

Sommige natuurkundigen dachten dat de Hawking-straling misschien een afdruk van links/rechts draagt ​​om een ​​externe waarnemer een hint te geven over wat het verleden was, maar nee. De Hawking-straling komt van dat flikkerende vacuüm rond het zwarte gat, en heeft niets te maken met wat je erin gooit. Alles lijkt verloren, maar niet zo snel.

1917, Albert Einstein toonde aan dat materie (zelfs het vacuüm naast materie) daadwerkelijk reageert op binnenkomende dingen, op een heel eigenaardige manier. Het vacuüm naast die materie wordt "gekieteld" om een ​​deeltje-antideeltje-paar te produceren dat eruitziet als een exacte kopie van wat er net binnenkwam. In een zeer reële zin, het binnenkomende deeltje stimuleert de materie om een ​​paar kopieën van zichzelf te maken - eigenlijk een kopie en een anti-kopie. Onthouden, willekeurige paren van deeltje en antideeltje worden voortdurend gecreëerd in het vacuüm, maar de tickled-paren zijn helemaal niet willekeurig:ze lijken precies op de tickler.

Dit kopieerproces staat bekend als het "gestimuleerde emissie"-effect en ligt aan de basis van alle lasers. De Hawking-gloed van zwarte gaten, anderzijds, is precies wat Einstein het 'spontane emissie'-effect noemde, plaatsvinden in de buurt van een zwart gat.

Stel je nu voor dat het kietelen deze kopie maakt, zodat het linker foton een linker fotonpaar kietelt, en een rechts foton geeft een rechts fotonpaar. Aangezien één partner van de gekietelde paren buiten het zwarte gat moet blijven (wederom van impulsbehoud), dat deeltje creëert het "geheugen" dat nodig is zodat informatie behouden blijft:één verleden heeft maar één toekomst, tijd kan worden teruggedraaid, en de wetten van de fysica zijn veilig.

Bij een kosmisch ongeval, Hawking stierf op de verjaardag van Einstein, wiens theorie van het licht, het gebeurt gewoon zo, redt Hawkings theorie van zwarte gaten.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.