Hawking kontra Hawking. Czarne dziury rosną czy maleją? Wyjaśniamy paradoks, który potwierdziło LIGO
Dwa miesiące temu, 13 września, pisałem na łamach iMagazine o niesamowitym odkryciu z LIGO. Chodziło o zdarzenie GW250114, które potwierdziło 50-letnią teorię Stephena Hawkinga o tym, że czarne dziury mogą tylko rosnąć.
Ale, jak słusznie mogło zauważyć wielu z Was, rodzi to fundamentalne pytanie. Czy to nie ten sam Stephen Hawking udowodnił, że czarne dziury „parują” i znikają? Czy wielki fizyk zaprzeczył samemu sobie?
Odpowiedź brzmi: nie. Obie teorie są prawdziwe. A ich pogodzenie to dotknięcie największej tajemnicy współczesnej fizyki.
Czarna dziura jak jednokierunkowa ulica (teoria względności)
News, o którym pisałem we wrześniu, dotyczył analizy fal grawitacyjnych ze zderzenia dwóch czarnych dziur (GW250114). Naukowcy z LIGO, z precyzją pozwalającą mierzyć 1/10 000 szerokości protonu, potwierdzili twierdzenie o polu powierzchni.
Hawking sformułował je w 1971 roku, opierając się na żelaznych zasadach Ogólnej Teorii Względności Einsteina. O czym mówi ta teoria? Na przykład, że horyzont zdarzeń to granica bez powrotu i nic – absolutnie nic – nie może się z niego wydostać. Wynika z tego dość logiczny wniosek: czarna dziura może tylko przyjmować materię i energię. Zawsze rośnie, nigdy nie maleje. Jednak nigdy za życia Hawkinga nie udało się doświadczalnie (a raczej: obserwacyjnie) potwierdzić jego teorii. Aż do teraz.
Obserwacja GW250114 dowiodła tego w praktyce. Suma powierzchni dwóch czarnych dziur przed zderzeniem była znacznie mniejsza niż powierzchnia nowej, połączonej czarnej dziury. Dokładnie tak, jak przewidział Hawking ubrany w strój fizyka klasycznego, einsteinowskiego. Ale jest jeszcze druga teoria.
Czarna dziura jak nieszczelne wiadro (mechanika kwantowa)
I tu w umysłach wielu Czytelników, którym nieobca jest choćby fragmentaryczna wiedza o teorii parowania czarnych dziur Hawkinga, powinna pojawić się uzasadniona wątpliwość. Zaledwie trzy lata po sformułowaniu teorii o tym, że czarne dziury tylko rosną, ten sam Stephen Hawking, w 1974 roku, zadał sobie pytanie: „Co się stanie, gdy do opisu czarnej dziury użyję nie tylko grawitacji Einsteina, ale też mechaniki kwantowej?”
Odkrył wtedy promieniowanie, nazwane później promieniowaniem Hawkinga. W uproszczeniu chodzi o to, że w świecie kwantowym „pusta” próżnia wcale nie jest pusta. Na krawędzi horyzontu zdarzeń nieustannie „wrze” od wirtualnych par cząstka-antycząstka. Hawking wykazał, że czasem jedna cząstka z tej wirtualnej, wykreowanej w wyniku fluktuacji kwantowych pary wpada do środka (mija horyzont zdarzeń), a druga ucieka tuż sprzed granicy.
Ta cząstka, która ucieka, staje się cząstką rzeczywistą, cząstką, która ma masę. Ponieważ prawo zachowania energii obowiązuje, a z einsteinowskiego równoważnika masy i energii (słynne E=mc²) wiemy, że masa to energia i energia to masa, cząstka powstała po naszej stronie horyzontu zdarzeń zabiera ze sobą odrobinę energii (masy) z samej czarnej dziury.
Wniosek? Czarna dziura bardzo, bardzo, ale naprawdę bardzo powoli traci masę. Niejako paruje. A więc maleje. To jak to w końcu, rośnie czy maleje?
Rozwiązanie: dwie fizyki, dwie skale
Jak pogodzić te dwa prawdziwe wnioski? Odpowiedź leży w skali i czasie. Te dwie teorie opisują zupełnie inne procesy.
Pomyślmy o czarnej dziurze jak o gigantycznej tamie na rzece. Twierdzenie o polu (wzrost) to gwałtowna, katastrofalna powódź. W ciągu kilku sekund do zbiornika wlewają się miliony ton wody (jak przy zderzeniu GW250114). Poziom wody (powierzchnia) rośnie gwałtownie.
Promieniowanie Hawkinga (parowanie): to woda, która w tym samym czasie paruje ze zbiornika wodnego.
Czy zatem zbiornik wodny w wyniku parowania maleje? Tak. Ale w porównaniu do powodzi, ten proces jest absurdalnie powolny i w kontekście czarnych dziur interpretowanych w klasycznej, „wielkoskalowej” fizyce, w zasadzie pomijalny.
Obserwacja LIGO dotyczyła właśnie „powodzi” – dynamicznego, klasycznego zdarzenia w skali makro. Promieniowanie Hawkinga to proces kwantowy, subatomowy wyciek. Jak powolny? Niewyobrażalnie powolny. Dla czarnej dziury o masie Słońca, czas potrzebny na jej całkowite wyparowanie to 10 do potęgi 67 lat (jedynka i 67 zer). Wiek całego naszego wszechświata to przy tym mniej niż nanosekunda dla nas.
Nie ma więc sprzeczności. Hawking nie zaprzeczył samemu sobie. Pokazał nam po prostu, że Wszechświat działa na dwóch różnych systemach operacyjnych – grawitacji i kwantowym – a czarne dziury są miejscem, gdzie te dwa systemy stykają się i pękają. Ostatnie odkrycie LIGO to po prostu kolejny, niesamowicie precyzyjny dowód na to, że ten pierwszy system (Einsteina) działa dokładnie tak, jak przewidział to Hawking pół wieku temu.
