Van-e kiút a fekete lyukból?

A világhírí amerikai professzor, Stephen Hawking az IPM rendelkezésére bocsátotta a legutóbbi előadásának anyagát, melyből kiderül, hogy mégis kijuthat információ a fekete lyukakból.Sokan mondják, hogy a valóság néha furcsább, mint a fantázia által teremtett történetek. Ha valamire, akkor a fekete lyukakra biztosan áll ez. A fekete lyukak különösebbek bárminél, amit a sci-fi írók valaha is megálmodtak, mégis szigorúan a tudomány körébe tartozó jelenségek, mi több, tények. Nem mintha a sci-fi mífaja nem lovagolta volna meg őket nem sokkal felfedezésük után. Emlékszem, hogy ott voltam a ’70-es években „A fekete lyuk” címí Walt Disney-film bemutatóján. Egy írhajóról szólt, aminek az volt a feladata, hogy egy nemrég felfedezett fekete lyukat derítsen fel. A film nem volt túl jó, de a vége érdekesre sikerült. Miután körbeutazták a fekete lyukat, az egyik tudós úgy döntött, hogy egyetlen módon derítheti ki, mi is történik ott: ha bemegy. Beült egy írszondába, és belevetette magát a fekete lyukba. A forgatókönyvíró által kiagyalt pokol képei után egy másik univerzumban találta magát. Ez egy korai példa arra, hogyan használja a sci-fi a fekete lyukat féreglyukként, amelyen át egy másik univerzumba kerülhetünk, vagy akár vissza-térhetünk a sajátunkba, egy másik helyre érkezve. Amennyiben léteznének ilyen féreglyukak, akkor levághatnánk a kerülőutakat a csillagközi utazás során, amely egyébként elég lassú és fáradságos lenne, ha be kellene tartanunk az Einstein-féle sebességhatárt, azaz nem léphetnénk túl a fénysebességet.

A sci-fi íróknak tulajdonképpen nem lett volna szabad ennyire meglepődniük, hiszen a fekete lyukakkal kapcsolatos találgatások már 200 éve jelen vannak a tudományos életben. A Cambridge-i Egyetem tanára, John Michell 1783-ban közölt egy tanulmányt az általa sötét csillagoknak nevezett jelenségről. Rámutatott arra, ha egy csillagnak elég nagy a tömege és eléggé össze van sírísödve, akkor olyan erős gravitációs térrel rendelkezik, amelyből a fény nem képes kiszökni. A csillag felszínéről kisugárzott bármiféle fényt visszahúzná a csillag gravitációs vonzóereje, mielőtt messzire juthatna. Michell szerint nagyszámú ilyen csillag létezhet, amiket bár nem láthatunk, mivel fényük nem ér el hozzánk, de a gravitációs erejüket mégis érezhetjük. Az ilyen testeket hívjuk ma fekete lyukaknak, mivel pontosan erről van szó: fekete üresség a világírben. Pár évvel később a francia tudós, Laplace hasonló megállapításra jutott Michelltől függetlenül, érdekes módon azonban elméletét „A világ rendszere” címí munkájának csak első és második kiadásában szerepeltette, a későbbiekben nem. Talán túlságosan képtelen ötletnek találta.

Michell és Laplace mindketten úgy gondolták, hogy a fény ágyúgolyószerí részecskékből áll, melyeket a gravitáció le tud lassítani, így azok visszazuhannak a csillagra. Egy 1877-ben – két amerikai, Michelson és Morley által – végzett híres kísérlet viszont bebizonyította, hogy a fény sebessége mindig 300 ezer kilométer másodpercenként, függetlenül attól, honnan érkezik. De akkor hogyan lassíthatná le a gravitáció a fényt, hogy aztán visszafelé zuhanjon?

A tér és az idő természetéről akkoriban vallott nézetek szerint ez nem volt lehetséges. Aztán 1915-ben Einstein előállt a forradalmian új általános relativitáselmélettel, melyben a tér és az idő már nem külön és egymástól független fogalmakként szerepeltek, hanem pusztán a téridő különböző irányait jelölték. Ez a bizonyos téridő nem lapos volt, hanem görbe és dimbes-dombos a benne található anyag és energia hatására. Hogy ezt megérthessük, képzeljünk el egy rugalmas gumilepedőt, amire egy csillagot reprezentáló súlyt helyezünk. A gumilepedő besüpped a súly alatt, a csillag közelében pedig meggörbül, nem lesz lapos. Ha most üveggolyókat gurítunk végig a gumin, azok pályája nem egyenes, hanem görbe lesz. Egy 1919-ben Nyugat-Afrikába küldött brit expedíció napfogyatkozás közben vette szemügyre távoli csillagoknak a Nap mellett elhaladó fényét. Megfigyeléseik szerint a csillagok látszólag elmozdultak szokásos helyükről. Ez arra engedett következtetni, hogy a csillagokból érkező fényt elhajlította a Nap közelében meggörbült téridő. Bebizonyosodott az általános relativitáselmélet.

Most képzeljük el, hogy egyre nehezebb és egyre kisebb térfogatban összesírísödő súlyokat helyezünk a gumilepedőre. Ezek egyre nagyobb mélyedést hoznak létre a lepedőn, végül egy kritikus súly és méret esetén egy olyan feneketlen lyuk jön létre, amibe beleeshetnek ugyan részecskék, viszont belőle semmi nem kerülhet ki.

Az általános relativitáselmélet szerint valami ilyesmi történik a téridőben. Egy csillag annál inkább meggörbíti és eltorzítja a közelében lévő téridőt, minél nehezebb és nagyobb síríségí. Ha egy masszív csillag elhasználja az összes nukleáris fítőanyagát, lehíl, és mérete a kritikus határ alá csökken, akkor szó szerint feneketlen lyukat hoz létre a téridőben, amiből a fény nem tud kilépni. Az ilyen testeket az amerikai fizikus, John Wheeler nevezte el fekete lyukaknak, az elsők között ismerve fel jelentőségüket és az általuk felvetett problémákat. A név hamar rajtuk ragadt, mivel valami sötétet és rejtélyeset sugallt. A franciák persze – franciák lévén – rögtön valami mást láttak bele az elnevezésbe, és évekig álltak ellen a troo noir névnek, mivel ez szerintük obszcén jelentéssel bírt. Az egész arra emlékeztet, ahogy ma- napság a le weekend és más egyéb anglicizmusok ellen küzdenek. A végén be kellett adniuk a derekukat, hiszen ki tudna ellenállni egy ennyire frappáns névnek.

Kívülről nézve nem tudjuk megmondani, mi van egy fekete lyuk belsejében. Belehajíthatunk egy egész tévékészüléket, gyémántgyíríket, avagy legádázabb ellenségeinket is, a fekete lyuk mindössze az össztömegre és a forgási állapotra emlékszik majd. John Wheeler ezt a jelenséget jellemezte Csupasz Fekete Lyukként. A franciák beigazolódni látták sejtésüket.

A fekete lyuk határát eseményhorizontnak nevezzük. Ez az a terület, ahol a gravitáció éppen elég erős ahhoz, hogy visszahúzza a fényt, illetve ne engedje kiszökni. Mivel semmi sem gyorsabb a fénynél, ezért semmi más sem me- nekülhet. &Aacutethaladni az eseményhorizonton olyan, mint kenuval leevezni a Niagarán. Ha még nem értük el a vízesést, és elég szaporán lapátolunk, még van esélyünk. Ha azonban már átbuktunk a peremén, végünk. Nincs visszaút. Ahogy közeledünk a zuhataghoz, egyre erősebb az áramlat. Ez azt jelenti, hogy jobban húzza a kenunk orrát, mint a végét, és fennáll a veszély, hogy szétszakítja a hajónkat. Ugyanígy míködnek a fekete lyukak. Ha lábbal előre zuhannánk egy fekete lyuk felé, a gravitáció jobban hatna a lábunkra, mint a fejünkre, mivel a lábunk van közelebb a lyukhoz. Ennek eredményeként megnyúlnánk hosszában, oldalról viszont összelapulnánk. Ha a fekete lyuk tömege párszor nagyobb lenne a Napénál, szétszakadnánk, és spagetti vékonyságúvá nyúlnánk, mielőtt elérnénk a horizontot. Másrészről, ha egy sokkal nagyobb, a Nap tömegénél milliószor nehezebb fekete lyukba esnénk, minden nehézség nélkül eljutnánk az eseményhorizontig. Tehát ha kedvünk támadna felderíteni egy fekete lyuk belsejét, válasszunk minél nagyobbat. Van is egy ilyen, mintegy milliónyi naptömegí fekete lyuk a Tejút középpontjában.

Bár mi semmi különöset nem tapasztalnánk, amint beleesnénk egy fekete lyukba, egy, a távolból minket figyelő személy sohasem venné észre, hogy áthaladtunk az eseményhorizonton. Számára csak az tínne fel, hogy lassulunk, majd lebegünk a lyuk előtt. Egyre halványabban és egyre vörösebben látszanánk, végül pedig ténylegesen eltínnénk a szeme elől. A külvilág számára teljesen elvesznénk, vagy legalábbis így gondolták eddig. Én azonban felfedeztem, hogy a fekete lyukakból igenis szivároghatnak kifelé részecskék. Ennek az az oka, hogy nagyon apró méretek esetén a dolgok kicsit másként míködnek. Ezt foglalja össze a Werner Heisenberg által 1923-ban felfedezett határozatlansági elv, ami kimondja, hogy minél pontosabban ismerjük egy részecske helyzetét, annál kevésbé tudjuk meghatározni a sebes-ségét, és fordítva. Eszerint, ha egy részecske egy kisméretí fekete lyukban tartózkodik, akkor nagyjából meg tudjuk határozni a helyzetét, ebből következően viszont sebessége meglehetősen bizonytalan, akár a fény sebességénél is nagyobb lehet, ez pedig lehetővé tenné a részecskének, hogy kiszökjön a fekete lyukból.

 Minél nagyobb a fekete lyuk, annál kevésbé ismerjük a benne lévő részecske pontos helyzetét, a sebessége ellenben jobban körülhatárolható, ezért egyre kisebb az esély arra, hogy az a fény sebességénél nagyobb legyen. Egy Nap méretí fekete lyukból olyan lassan szivárognának ki a részecskék, hogy azokat lehetetlen lenne észlelni. Másrészt viszont lé- tezhetnek sokkal kisebb mini fekete lyukak is, amelyek az univerzum nagyon korai életszakaszában keletkezhettek, amikor az kaotikus és rendezetlen volt. Egy hegynyi tömegí kis fekete lyuk körülbelül 10 millió megawattnyi energiájú röntgen- és gamma-sugárzást bocsátana ki magából, ami fedezné a világ energiaszükségletét. Persze nem lenne egyszerí munkára fogni egy fekete lyukat. Nem tarthatnánk egy erőmíben, hiszen átszakítaná a padlót, és a Föld középpontjában kötne ki. Az egyetlen megoldás az lehetne, ha a fekete lyuk a Föld körül keringene.

Sokan kerestek már ilyen tömegí mini fekete lyukakat, de eddig senki sem talált egyet sem. Ez elég sajnálatos, mert ellenkező esetben már megkaptam volna a Nobel-díjat. A másik eshetőség szerint mi magunk képesek lehetnénk létrehozni kicsiny fekete lyukakat a téridő további dimenzióiban. Néhány elmélet szerint az általunk észlelt univerzum egy mindössze négydimenziós felszín egy tíz- vagy tizenegy dimenziójú térben. Mivel a fény nem terjed bennük, nem láthatjuk ezeket az extra dimenziókat, ellenben a gravitáció hatása érvényesül, mégpedig sokkal erősebben, mint a mi univer-zumunkban. Ezáltal sokkal egyszeríbb lenne az extra dimenziókban létrehozni egy kis fekete lyukat. Talán ezt is megfigyelhetjük majd a svájci Nagy Hadronütköztetőben. A 27 kilométer hosszú, kör alakú alagútban ellentétes irányba haladó két részecskenyalábot ütköztetik egymással, néhány ütközés eredményeként pedig akár kis fekete lyukak is kialakulhatnak. Az ezekből kilépő részecskék sugárzási mintázatát könnyí lenne felismerni, úgyhogy lehet, hogy mégiscsak az enyém lesz a Nobel-díj végül.

Ahogy egyre több részecske hagyja el, a fekete lyuk tömege csökken és össze is megy, ettől viszont megnő a kibocsátott részecskék száma. Végül a fekete lyuk minden tömegét elveszíti, és eltínik. Mi történik vajon azokkal a részecskékkel, na meg a szerencsétlen írhajósokkal, akik korábban belezuhantak? Nem bukkanhatnak elő csak úgy. &Uacutegy tínik, hogy a fekete lyukakból teljesen véletlenszerí részecskék lépnek ki, és nincs kapcsolat aközött, ami beleesett, és aközött, ami kilép. Jelenleg úgy tudjuk, hogy minden információ elveszik azokról az objektumokról, amelyek belezuhantak a fekete lyukba, kivéve össztömegüket és forgásmennyiségüket. &Aacutem ha elveszik az információ, akkor ez olyan problémát vet fel, amely alapjaiban kérdőjelezi meg azt, ahogy a tudományról ma gondolkodunk.

Immár több mint kétszáz éve hiszünk a tudományos determinizmusban, abban, hogy az univerzum fejlődésének útját tudományos törvények szabják meg. Ezt Laplace fogalmazta meg úgy, hogy ha ismerjük az univerzum állapotát egy adott pillanatban, akkor mindegyik múlt- és jövőbeli állapotát a tudomány törvényei határozzák meg. Napóleon állítólag azt kérdezte Laplace-tól, hogy illeszkedik Isten ebbe az elképzelésbe, mire a fizikus azt válaszolta: „Felség, erre a hipotézisre nem volt szükségem.” Nem hiszem, hogy Laplace ezzel tagadta volna Isten létezését, mindössze arról van szó, hogy Isten nem avatkozik be azért, hogy összekeverje a tudomány törvényeit. Bizonyára minden tudós így van ezzel. A törvény nem törvény, ha csak akkor áll meg, amikor valamiféle természetfeletti erő úgy dönt, hogy hagyja a dolgokat történni a maguk útján.

Laplace determinizmusa szerint egyszerre kellett tudnunk az összes részecske helyzetét és sebességét ahhoz, hogy megjósolhassuk a jövőt. A határozatlansági elv szerint viszont minél pontosabban ismert a részecskék helyzete, annál kevesebbet tudunk a sebességükről és fordítva. Más szóval nem határozhatjuk meg egyszerre a helyzetet és a se- bességet is pontosan. Hogyan tudjuk akkor pontosan megjósolni a jövőt? Nos, nem láthatjuk előre a helyzetet és a sebességet külön-külön, de megjósolhatjuk az ún. kvantumállapotot. Ebből bizonyos pontossággal kiszámolható mind a helyzet, mind a sebesség. Még így is meghatározott sorsúként fognánk fel az univerzumot abban az értelemben, hogy ha az egyik pillanatban ismernénk a kvantumállapotát, akkor a tudomány törvényei lehetővé tennék, hogy azt bármelyik másik időpillanatra nézve megjósoljuk.   

Ha az információ valóban elveszne a fekete lyukakban, akkor nem láthatnánk előre a jövőt, mivel a fekete lyuk a ré- szecskék bármilyen csoportját kibocsáthatja. Akár egy míködő tévékészülék vagy egy bőrbe kötött Shakespeare-összes is előbukkanhat belőle, bár erre nagyon kicsi az esély. Sokkal valószíníbb, hogy sugárzó hőről van szó, olyanról, mint a vörösen izzó fém melege. &Uacutegy tínhet, nem sokat számít, ha nem tudjuk megjósolni, mit bocsátanak ki a fekete lyukak, hiszen egy sincs a közelünkben. Azonban ez elvi kérdés. Ha a determinizmus megbukik a fekete lyukak esetében, akkor megbukhat máskor is. Elképzelhető, hogy léteznek virtuális fekete lyukak, amelyek a vákuumból tínnek elő fluk- tuációként, beszippantanak egy adag részecskét, kiköpnek egy másikat, majd újra eltínnek a vákuumban. Ami még rosszabb, ha a determinizmus megbukik, akkor az elmúlt korok történelmében sem lehetünk biztosak, a történe-lemkönyvek adatai és saját emlékeink mind illúzióknak bizonyulhatnak. Nekünk a múltunk mondja meg, kik is vagyunk, nélküle elveszítjük az identitásunkat.

Éppen ezért volt nagyon fontos kideríteni, vajon valóban elveszik-e az információ a fekete lyukakban vagy elvben visszanyerhető. Sokan úgy gondolták, hogy az információ nem veszhet el, de senki sem tudott olyan mechanizmussal előállni, ami megőrizné. Évekig tartottak az erről szóló viták. Végül megtaláltam a szerintem helyes választ a kérdésre. Ez Richard Feinman ötletén alapul, amely szerint nem egyetlen történelem létezik, hanem sok eltérő lehetőség, mindegyik a maga valószíníségével. A mi esetünkben kétféle történelem van. Az egyikben szerepel fekete lyuk, amibe bele- eshetnek részecskék, a másikban azonban nem. A lényeg az, hogy kívülről nézve nem lehetünk biztosak benne, hogy van-e fekete lyuk, azaz mindig van esély arra, hogy nincs. Ez a lehetőség elegendő arra, hogy megőrizze az információt, ami viszont nem szerezhető vissza használható formában. Olyan ez, mint elégetni egy enciklopédiát. Ha megtartjuk a füstjét és a hamuját, az információ megmarad, de nehezen olvasható. Kip Thorne-nak és nekem volt egy fogadásunk John Preskillel. Mi arra tettünk, hogy a fekete lyukakban elveszik az információ. Amikor felfedeztem, hogyan őrizhető meg, beismertem, hogy vesztettem, és egy enciklopédiát ajándékoztam Johnnak. Lehet, hogy csak a hamut kellett volna odaadnom.

Mit mond el ez nekünk arról, hogy lehetséges-e belezuhanni egy fekete lyukba, és egy másik univerzumba érkezni? A fekete lyukakkal bíró alternatív történelmek létezése azt sugallja, hogy van erre esély. A lyuknak elég nagynak kellene lennie, és ha még forogna is, akkor lehetne benne átjáró egy másik univerzumba. A visszatérés azonban lehetetlen lenne, úgyhogy bár izgat az írutazás gondolata, de ezt mégsem próbálnám ki.

A tanulság az, hogy a fekete lyukak nem olyan sötét helyek, mint ahogyan lefestik őket, nem is örökkévaló börtönök, ahogy egykor gondolták. Igenis ki tudnak szabadulni belőlük dolgok a külvilág és talán más univerzumok felé is. Ha &Oumln úgy érzi kedves olvasó, hogy sötét veremben van, ne csüggedjen. Van kiút.

A szerző életrajza
 Stephen William Hawking 1942. január 8-án született Oxfordban, 300 évvel Galileo halála után. Szüleinek Londonban volt házuk, de a II. világháború alatt Oxford biztonságosabb helynek tínt a gyermekvállalásra. Stephen matematikát szeretett volna tanulni, bár apja jobban örült volna, ha orvosnak áll. Matematikát azonban nem oktattak a University College-ban, ezért fizikát tanult helyette. Három év és viszonylag csekély erőkifejtés után kitüntetéssel diplomázott természettudományokból. Ezután Cambridge-be ment, hogy ott kozmológiai tárgyú kutatásokat végezzen, mivel abban az időben, Oxfordban senki sem foglalkozott ezzel a tudományággal. Hawking az univerzum míködését irányító alap- törvényekkel foglalkozik ma is. &#336 és Roger Penrose kimutatta, hogy Einstein általános relativitáselmélete alapján a térnek és az időnek van kezdete: az ősrobbanás, és vége: fekete lyukak formájában.
 
Ezek az eredmények szükségessé tették az általános relativitás, és a XX. század első felének másik nagy tudományos felfedezése, a kvantumelmélet egyesítését. Ennek egyik eredménye az, hogy Hawking rájött, a fekete lyukak valószíníleg nem teljesen feketék, hanem sugárzást bocsátanak ki, végül pedig elpárolognak és eltínnek. Egy másik hipotézise szerint az univerzumnak nincs határa az elképzelt időben. Ez azt jelentené, hogy az univerzum létrejöttét teljes mértékben a tudomány törvényei ha- tározták meg. Hawking az úgynevezett ALS-betegséghez köthető idegi eredetí izomsorvadásban szenved, állapota az évek során folyamatosan romlott, a tudós napjainkra majdnem teljesen megbénult.