Stephen Hawking - Et sinn uten grenser
Svarte hull
Hawkings arbeid med singulariteter førte til slutt til studier av disse mystiske, destruktive fenomenene som er strødd over hele universet.
Sola er ikke varm. De avdøde har egentlig ikke forlatt livet. Alle som kan snu opp-ned på hovedtrekket ved det vi vet om noe bestemt, vil sikre seg en plass i historien. Og det var nettopp det Stephen Hawking gjorde i 1974, da han i strid med alle forventninger viste at svarte hull ikke er svarte. Svarte hull er en konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori, som han kunngjorde for verden i en serie foredrag i Berlin i november 1915. Isaac Newton forestilte seg gravitasjonen som en kraft, et usynlig tjor som bandt Jorda til Sola og holdt kloden på plass i kretsløpet, men Einstein viste at dette var galt. Det finnes ingen slik kraft. I stedet vil en masse som Sola skape et dalsøkk i romtiden rundt seg, og Jordas naturlige bevegelse er å kretse rundt de øvre skråningene i dalsøkket som en rulettkule rundt et ruletthjul.
Den amerikanske fysikeren John Wheeler kokte Einsteins teori ned til et enkelt utsagn: «Masse bestemmer hvordan romtiden skal krumme seg, og krum romtid bestemmer hvordan masse skal bevege seg.» Vi oppfatter ikke krumningen i romtiden, siden den forutsetter fire dimensjoner, mens vi er skarve tredimensjonale vesener. Det var derfor et geni som Einstein måtte til for å oppdage fenomenet.
Einsteins teori erstatter den enslige ligningen i Newtons universale tyngdekraftteori med ti ligninger. Derfor blir det uhyre vanskelig å finne løsninger – hvilken fasong en viss fordeling av materie og dermed masse gir romtiden. Så vanskelig at den som finner en løsning uten videre får navnet sitt knyttet til den. Men det fantastiske var at en mann fant en løsning allerede noen måneder etter at den generelle relativitetsteorien ble publisert.
Karl Schwarzschild var en tysk jøde som ville vise antisemittene at også jøder var patriotiske.
Derfor vervet han seg i forsvaret så snart første verdenskrig begynte, selv om han var 40 år gammel. I løpet av sine 18 måneder i keiserens hær drev han en værstasjon i Belgia, beregnet granatbaner i et artilleribatteri i Frankrike og tjenestegjorde i Russland. Det var der han fikk pemphigus vulgaris, en svekkende sykdom hvor immunforsvaret angrep huden og dekket ham med smertefulle, væskende blemmer. Han døde i løpet av noen måneder. Men mens han lå på et sykehus på østfronten med konstant artilleritorden i det fjerne, satte han seg inn i Einsteins nye teori og begynte å tenke. Schwarzschild tenkte seg en sfærisk symmetrisk masse som en stjerne. Han la inn en del forenklende forutsetninger som eliminerte svært mange av Einsteins ligninger, og så til sin forbløffelse at han kunne beregne nøyaktig hvordan romtiden krummet seg i nærheten av en slik masse. Enda mer forbløffet ble Einstein i Berlin da han åpnet et brev fra østfronten og fant det som senere skulle bli kalt Schwarzschild-løsningen.
Både Schwarzschild og Einstein merket seg at hvis en masse ble presset sammen til et svært lite volum, ble dalsøkket i romtiden så bratt at det dannet en bunnløs brønn som ingenting kunne slippe ut av, ikke engang lys. Siden det ville kreve å presse Sola sammen til bare seks kilometers diameter, noe begge de to oppfattet som absurd, benyttet ingen av dem sjansen til å forutsi svarte hull. Det begrepet ble ikke alminnelig kjent før Wheeler presenterte det i 1967.
Andre fysikere var enig om at før en masse kunne presses innenfor sin Schwarzschildradius og bli et svart hull, måtte en eller annen naturkraft gripe inn og avverge en slik katastrofe. Men i 1930 viste det nittenårige indiske matematikkgeniet Subrahmanyan Chandrasekhar at hvis en stor stjerne brukte opp sitt eget brensel og ikke lenger kunne generere nok indre varme til å stå imot tyngdekraften som prøvde å klemme den sammen, kunne ingen kjent kraft forhindre at sammensynkningen løp løpsk og dannet et svart hull. Etter å ha sluknet ville stjernen skrumpe sammen til et punkt med uendelig høy tetthet, en såkalt singularitet, et begrep vi så nærmere på i et tidligere kapittel.
En singularitet ville signalisere fysikkens sammenbrudd. Naturen ville vel ikke la en slik uhyrlighet eksistere? Men i 1971 ble det første svarte hullet av stjernemasse, Cygnus X-1, oppdaget av Paul Murdin og kollegene hans ved hjelp av NASAS røntgensatellitt Uhuru. Og faktisk hadde vitenskapen snublet over svarte hull av en helt annen type allerede i 1963, nesten ti år tidligere. Kvasarer, som ble oppdaget av den nederlandskamerikanske astronomen Maarten Schmidt, var de superlyssterke kjernene i nyfødte galakser. De pumpet gjerne ut 100 ganger mer energi enn en galakse, men fra et volum mindre enn Solsystemet. Eneste mulige kilde til slike kolossale lysstyrker var materie som ble hvitglødende het når den virvlet inn mot et svart hull som vann mot et sluk. Men ikke et svart hull med masse som en stjerne. Her dreide det seg om masser opptil 50 milliarder ganger større enn Solas.
Til å begynne med trodde man at slike supermassive svarte hull bare drev aktive galakser, den enslige prosenten av uregjerlige galakser hvor kvasarer er det mest dramatiske eksempelet. Men på nittitallet oppdaget astronomene ved hjelp av Hubble-teleskopet i jordbane at det finnes et supermassivt svart hull i hjertet av så å si alle galakser. Det i kjernen av Melkeveien, Sagittarius A*, er en pusling på bare 4,3 millioner ganger Solas masse. Men vi vet ikke hvorfor det er et svart hull i enhver galakse, det er fortsatt et av kosmologiens største uoppklarte mysterier.
Men om det kom som et sjokk at svarte hull faktisk kunne observeres over hele universet, var det ikke på langt nær så sjokkerende som egenskapene teoretiske fysikere fastslo at de svarte hullene hadde. Og her er det at Hawking kommer inn i bildet. Hawking rettet oppmerksomheten mot svarte hull etter at han hadde samarbeidet med Roger Penrose om Big Bang-singulariteten. Sammen med andre fysikere beviste han en rekke teoremer om disse kosmiske støvsugerne. Mest oppsiktsvekkende var oppdagelsen av at uansett hvordan stjernen som krympet til et svart hull hadde sett ut, ble det endelige svarte hullet kjennetegnet av bare to ting, nemlig massen og rotasjonshastigheten. Svarte hull er forbløffende enkle. Chandrasekhar, som vant nobelprisen i fysikk i 1983, uttrykte det slik: «Naturens svarte hull er de mest perfekte makroskopiske gjenstandene som finnes i universet. De eneste elementene i oppbygningen er begrepene rom og tid.»
Hawkings neste og mest kjente arbeid bygde videre på det han og Penrose hadde funnet ut om Big Bang. At Einsteins teori brøt sammen i en singularitet, betydde ikke at det aldri ville bli mulig å studere universets begynnelse. Det betydde bare at noe bedre enn Einsteins teori måtte til for å trenge inn i den fjerne tiden. Dette «noe» var etter manges mening kvanteteorien, den teorien
«En singularitet ville signalisere fysikkens sammenbrudd. Naturen ville vel ikke la en slik uhyrlighet eksistere?»
som forklarer hvorfor bakken er fast under beina våre og hvorfor Sola skinner, og som har gitt oss laserstråler, datamaskiner og atomreaktorer. Problemet var at ingen visste hvordan de skulle få kvanteteorien og Einsteins teori til å passe sammen. Å forene dem er fortsatt det suverent viktigste av fysikkens uløste problemer.
Hawkings tanke var å angripe singulariteten i Big Bang og i sentrum av et svart hull med kvanteteori for å løfte sløret som singulariteten i praksis har senket over verdensanskuelsen vår. Men det problemet skulle bli en vrien nøtt å knekke, så Hawking valgte å øve seg på et enklere problem. Singulariteten i hjertet av det svarte hullet er faktisk skjult av hullets hendelseshorisont, som karakteriseres av Schwarzschildradien. Dette er avstanden hvor materie på vei inn mot det svarte hullet ikke lenger har mulighet til å slippe vekk. Passerer vi hendelseshorisonten, kommer vi aldri ut igjen. Det er horisonten astronomene tenker på når de snakker om et svart hulls størrelse.
I 1974 oppdaget Hawking noe forbløffende om hendelseshorisonten, noe fysikere knapt kunne tro. For å forstå det må vi vite hva kvanteteorien sier om tomrom. Egentlig er det slett ikke tomt, det syder av energi. Nærmere bestemt spontanoppstår stadig subatomiske partikler parvis sammen med sine egne antipartikler, noe som går an i henhold til Heisenbergs usikkerhetsprinsipp. Naturen ser gjennom fingrene med disse partiklene, den bryr seg ikke om hvor energien til å skape dem kommer fra, bare de møtes og tilintetgjør hverandre veldig raskt. Det blir omtrent som når tenåringer låner mors bil og putter den på plass i garasjen før hun legger merke til at den er borte.
Men Hawking innså at det hender noe interessant nær horisonten til et svart hull. Der kan det skje at den ene partikkelen i et nydannet par faller gjennom horisonten og inn i det svarte hullet. Den gjenværende partikkelen har ingen partner å tilintetgjøre seg med, så den flyr vekk fra hullet sammen med utallige andre i samme situasjon. Så i strid med alle forventninger er svarte hull ikke helt svarte. De avgir et skjær av partikler som kalles hawkingstråling.
Et av de teoremene Hawking tidligere hadde oppdaget for svarte hull, gikk ut på at når svarte hull smelter sammen, blir det sammenslåtte hullets overflate alltid større enn summen av de to forgjengernes overf later. Den israelske fysikeren Jacob Bekenstein hadde fundert på om overflaten representerer det svarte hullets entropi. Dette er en egenskap som oppstår i termodynamikken – den teorien om varme og bevegelse som ligger til grunn for fysikken og kjemien og mange andre felt – og som alltid øker. Men den gjelder bare varme legemer. Hvordan i all verden skulle den kunne gjelde et svart hull?
Hawking hadde funnet svaret: Termodynamikken gjaldt svarte hull fordi de er varme! De har en temperatur. Beviset var at de lyste av hete – hawkingstråler, med andre ord. Det viktige med Hawkings oppdagelse var at tre av fysikkens store teorier møtes ved horisonten til et svart hull. Det er Einsteins tyngdekraftteori, kvanteteorien og termodynamikken. Et første famlende skritt var tatt på veien til å forene dem, noe som er fysikkens hellige gral. Men hawkingstrålene
«Egentlig er rommet slett ikke tomt, det syder av energi. Nærmere bestemt spontanoppstår stadig subatomiske partikler parvis sammen med sine egne antipartikler »
skapte et alvorlig problem, en gåte hvor løsningen kunne markere det neste skrittet på veien.
Hawkingstrålepartikler kommer ikke fra innsiden av et svart hull, siden ingenting kan slippe unna tyngdekraften der. I stedet dannes de like utenfor horisonten. Energien til å skape dem må komme et sted fra, og den kommer fra det svarte hullets egen tyngdekraft. Når det avgir hawkingstråler, må det derfor skrumpe gradvis bort.
Svarte hull på størrelse med stjerner har svært svake hawkingstråler, men etter hvert som et svart hull blir mindre, blir strålene sterkere og sterkere inntil hullet til slutt eksploderer i et blendende glimt. Siden slik «fordunstning» vil ta mye mer tid enn universets nåværende alder, kan det virke betydningsløst. Men det er det på ingen måte.
Det er en hjørnestein i fysikken at informasjon ikke kan utslettes. Om vi tenker oss en komplett beskrivelse av stjernen som i sin tid klappet sammen og dannet et svart hull, må vi ha data om typen og plasseringen til hver eneste av de utallige subatomiske partiklene stjernen besto av. Men når hullet har fordunstet, er bokstavelig talt ingenting igjen. Hvor blir det av all den informasjonen? Da Hawking prøvde å finne svar på dette spørsmålet, som kalles de svarte hullenes informasjonsparadoks, tok han etter hvert desperate midler i bruk. Det ble han senere flau over. «Før trodde jeg at informasjonen ble tilintetgjort i det svarte hullet», sa han. «Det var den største tabben jeg har gjort.»
I 1993 hevdet den nederlandske nobelprisvinneren Gerard t’hooft ved universitetet i Utrecht at et svart hulls horisont slett ikke er glatt og pregløs, den er grov og ujevn i mikroskopisk målestokk. Og i dette lilleputtlandskapets humper og kuler lagres informasjonen som beskriver stjernen det svarte hullet stammer fra.
Kort etter t’hoofts framlegg om at den manglende informasjonen i et svart hull kan ligge innkodet
«Da Hawking prøvde å finne svar på spørsmålet som kalles de svarte hullenes informasjonsparadoks, tok han etter hvert desperate midler i bruk»
i hendelseshorisonten, viste Leonard Susskind ved Stanford-universitetet hvordan dette kunne innarbeides i strengteori. Strengteori betrakter ikke de minste bestanddelene i verden rundt oss som små, punktaktige partikler, men som ørsmå, vibrerende strenger av masseenergi. Det er det eneste systemet vi hittil har funnet som er forenlig både med Einsteins relativitetsteori og med kvanteteorien hans om lys.
Susskind forestilte seg et svart hulls hendelseshorisont som en yrende masse av vibrerende strenger. I 1997 brukte Andrew Strominger ved University of California i Santa Barbara og Cumrun Vafa ved Harvarduniversitetet dette bildet til å forutsi den presise svarthullentropien som Bekenstein hadde beregnet.
Siden hawkingstråler avfødes i vakuum bare en hårsbredd over et svart hulls hendelseshorisont, er det rimelig at den påvirkes av de mikroskopiske ujevnhetene i den membranen. De bølgende ujevnhetene modulerer den på noenlunde samme måte som tonene i en popmelodi modulerer radiostasjonens bærebølge. På den måten bæres informasjonen som beskriver moderstjernen ut i universet, uslettelig registrert i hawkingstrålene. Altså går ingen informasjon tapt likevel, og vi unngår brudd på en av fysikkens viktigste lover.
Denne veien utenom svarte hulls informasjonsparadoks er bare spekulasjon. Vi har ennå ikke den dypere teorien som kreves for å forene Einsteins tyngdekraftteori og kvanteteori. Men hvis teorien stemmer, innebærer det noe ganske enestående. Informasjonen som skal til for fullt ut å beskrive en stjerne, en tredimensjonal gjenstand, ligger perfekt bevart på et svart hulls horisont, selv om horisonten er en todimensjonal flate. I så måte kan horisonten sammenliknes med det holografiske bildet på et kredittkort. Om vi tenker oss at en frosk bærer med seg et hologram av sin tidligere inkarnasjon som rumpetroll, har vi en analogi til at det svarte hullet bærer med seg et hologram av sin tidligere inkarnasjon som stjerne. Hawkingstråler er aldri blitt påvist i rommet, og det vil nok ikke skje med det første, for de er svake hos svarte hull med masse som stjerner. Men i de senere år har fysikerne utvist mye kløkt i arbeidet med å skape analoger til hendelseshorisonter i laboratorier på Jorda.
«Hawkingstråler er ikke noe spesifikt astrofysisk fenomen», sier Germain Rousseaux ved CNRS i Frankrike, «men en generell forutsigelse som er like gyldig for astrofysiske svarte hulls horisonter og analoge horisonter, noe som har den store fordelen at det kan etterprøves i et laboratorium.» I 2016 var Rousseaux med i et team som klarte å bekrefte hawkingeffekten i en vanntank («Observation of Noise Correlated by the Hawking Effect in a Water Tank» av Léo-paul Euvé med fler, Physical Review Letters, september 2016).
I mellomtiden fortsetter arbeidet med å få fram et bilde av hendelseshorisonten rundt et svart hull i verdensrommet. Astronomenes problem er at svarte hull med masse som stjerner her i Melkeveien er små, og dessuten svarte, selvfølgelig. Supermassive svarte hull er riktignok store, men de befinner seg i kosmiske avstander fra oss, så de virker små likevel. Men det finnes ett svart hull som er relativt nært og relativt stort, og det er det svarte hullet i sentrum av vår egen galakse.
I løpet av et års tid håper astronomene å få et bilde av hendelseshorisonten rundt Cygnus A*, som ligger i Melkeveiens sentrum omtrent 26 000 lysår fra oss, ved hjelp av en serie samarbeidende radioteleskoper som er spredd rundt på kloden, men som til sammen kalles EHT for Event Horizon Telescope. Radiosignalene som oppfanges på hvert sted slås sammen av en datamaskin ved MIT Haystack Observatory i Massachusetts, noe som simulerer å se gjennom en parabolantenne på størrelse med Jorda. Jo større antenne og jo kortere bølger som observeres – EHT bruker en bølgelengde på 1,3 millimeter – desto bedre kan vi zoome inn på detaljer på himmelen.
EHT skal etterprøve en kontroversiell påstand Hawking har kommet med i de senere år. Som om det ikke var nok at han hadde sjokkert fysikkens verden med å hevde at svarte hull ikke er svarte, men avgir hawkingstråling, slo han til med noe liknende i 2014. Denne gangen hevdet han at hendelseshorisonter ikke eksisterer, noe som strengt tatt innebærer at heller ikke svarte hull eksisterer!
Når en gjenstand som en stjerne faller sammen og danner et svart hull, er det en voldsom og kaotisk hendelse. Derfor danner den ingen horisont, hevdet Hawking, bare en grenseflate med ekstrem romtidsturbulens. Informasjon kan lekke ut gjennom en slik tilsynelatende horisont. Hawkings konklusjon var dramatisk. «At det ikke finnes hendelseshorisonter, betyr at det ikke finnes svarte hull – ikke i form av tilstander lys ikke kan slippe bort fra og fortsette uendelige strekninger», skrev han. «Men det finnes tilsynelatende horisonter som eksisterer et visst tidsrom.»
Med andre ord er svarte hull ikke det vi trodde de var. Er i så fall horisonten rundt et svart hull en slik grense som alle trodde, et punkt hvor det ikke lenger er mulig å slippe vekk? Eller er det bare en tilsynelatende horisont, slik Hawking antydet, der ting lekker ut fra hullets indre? Her gjelder det å observere horisonten og se om den oppfører seg slik Einstein forutsa, eller om den i det hele tatt eksisterer. «Med et bilde vil vi kunne etterprøve den generelle relativiteten ved grensen til et svart hull, der den aldri har vært etterprøvd før», sa lederen for Eht-teamet, Shep Doleman ved Massachusetts Institute of Technology. «Det ville symbolisere et vendepunkt i vår forståelse av svarte hull og tyngdekraft.»
EHT vil få sitt første bilde av hendelseshorisonten rundt et svart hull i løpet av et års tid, og det tegner til å bli et legendarisk bilde i klasse med fotoet fra Apollo 8 av Jorda som gikk opp bak Månen. Det er trist at Stephen Hawking ikke vil være blant oss og få se det.
«Vi oppfatter ikke krumningen i romtiden, siden den forutsetter fire dimensjoner, mens vi er skarve tredimensjonale vesener.»