Niedawny artykuł Stephena Hawkinga wywołał spore poruszenie, nawet wiodące Nature News oświadczyło, że nie ma czarnych dziur. Jak napisałem we wcześniejszym poście, nie do końca tak twierdzi Hawking. Ale teraz jest jasne, że twierdzenie Hawkinga o czarnych dziurach jest błędne, ponieważ paradoks, którym próbuje się zająć, wcale nie jest paradoksem.
Wszystko sprowadza się do paradoksu zapory ogniowej dla czarnych dziur. Główną cechą czarnej dziury jest horyzont zdarzeń. Horyzont zdarzeń czarnej dziury jest w zasadzie punktem bez powrotu, gdy zbliżasz się do czarnej dziury. W teorii ogólnej teorii względności Einsteina horyzont zdarzeń jest miejscem, w którym przestrzeń i czas są tak wypaczone przez grawitację, że nigdy nie można uciec. Przekrocz horyzont zdarzeń i będziesz na zawsze uwięziony.
Ta jednokierunkowa natura horyzontu zdarzeń od dawna stanowi wyzwanie dla zrozumienia fizyki grawitacyjnej. Na przykład horyzont zdarzeń czarnej dziury wydaje się naruszać prawa termodynamiki. Jedną z zasad termodynamiki jest to, że nic nie powinno mieć temperatury absolutnego zera. Nawet bardzo zimne rzeczy emitują trochę ciepła, ale jeśli czarna dziura uwięzi światło, to nie wydziela żadnego ciepła. Zatem czarna dziura miałaby temperaturę zero, co nie powinno być możliwe.
Następnie w 1974 roku Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury promieniują światłem z powodu mechaniki kwantowej. W teorii kwantów istnieją granice tego, co można wiedzieć o obiekcie. Na przykład nie możesz znać dokładnej energii obiektu. Z powodu tej niepewności energia systemu może wahać się spontanicznie, o ile jego średnia pozostaje stała. Hawking wykazał, że w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury mogą pojawić się pary cząstek, w których jedna cząstka zostaje uwięziona w horyzoncie zdarzenia (nieznacznie zmniejszając masę czarnych dziur), a druga może uciec jako promieniowanie (zabierając trochę energia czarnej dziury).
Podczas gdy promieniowanie Hawkinga rozwiązało jeden problem z czarnymi dziurami, stworzyło inny problem znany jako paradoks zapory ogniowej. Kiedy cząstki kwantowe pojawiają się w parach, są splątane, co oznacza, że są połączone kwantowo. Jeśli jedna cząstka zostanie schwytana przez czarną dziurę, a druga ucieknie, wówczas uwikłana natura pary zostaje zerwana. W mechanice kwantowej powiedzielibyśmy, że para cząstek pojawia się w stanie czystym, a horyzont zdarzeń wydaje się przełamać ten stan.
W ubiegłym roku wykazano, że jeśli promieniowanie Hawkinga jest w stanie czystym, to albo nie może ono promieniować w sposób wymagany przez termodynamikę, albo stworzyłoby zaporę cząstek wysokoenergetycznych w pobliżu powierzchni horyzontu zdarzeń. Jest to często nazywane paradoksem zapory ogniowej, ponieważ zgodnie z ogólną teorią względności, jeśli zdarzy się, że znajdziesz się w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, nie powinieneś zauważyć niczego niezwykłego. Podstawowa idea ogólnej teorii względności (zasada równoważności) wymaga, aby swobodnie opadać w pobliżu horyzontu zdarzeń, nie powinno być szalejącej zapory cząstek o wysokiej energii. W swoim artykule Hawking zaproponował rozwiązanie tego paradoksu, sugerując, że czarne dziury nie mają horyzontów zdarzeń. Zamiast tego mają pozorne horyzonty, które nie wymagają zapory ogniowej do przestrzegania termodynamiki. Stąd deklaracja „nie ma już czarnych dziur” w popularnej prasie.
Ale paradoks zapory ogniowej powstaje tylko wtedy, gdy promieniowanie Hawkinga jest w stanie czystym, a gazeta Sabine Hossenfelder z zeszłego miesiąca pokazuje, że promieniowanie Hawkinga nie jest w stanie czystym. W swoim artykule Hossenfelder pokazuje, że zamiast powstawania pary splątanych cząstek, promieniowanie Hawkinga wynika z dwóch par splątanych cząstek. Jedna uwikłana para zostaje uwięziona przez czarną dziurę, a druga uwikłana para ucieka. Proces ten jest podobny do pierwotnej propozycji Hawkinga, ale cząstki Hawkinga nie są w stanie czystym.
Więc nie ma paradoksu. Czarne dziury mogą promieniować w sposób zgodny z termodynamiką, a region w pobliżu horyzontu zdarzenia nie ma zapory ogniowej, tak jak wymaga tego ogólna teoria względności. Tak więc propozycja Hawkinga jest rozwiązaniem problemu, który nie istnieje.
To, co tu przedstawiłem, jest bardzo przybliżonym obrazem sytuacji. Zastanawiałem się nad bardziej subtelnymi aspektami. Aby uzyskać bardziej szczegółowy (i wyjątkowo jasny) przegląd, sprawdź post Ethana Seigela na jego blogu Zaczyna się od huku! Zobacz także post na blogu Sabine Hossenfelder, Back Reaction, gdzie sama mówi o tym problemie.
