Stephen Hawking - Et sinn uten grenser

Svarte hull

- AV MARCUS CHOWN

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.»

 ??  ??
 ??  ??
 ??  ?? Den tyske fysikeren og astronomen Karl Schwarzsch­ild (1873–1916) var den første som løste ligningene i den generelle relativite­tsteorien for en bestemt gjenstand.
Den tyske fysikeren og astronomen Karl Schwarzsch­ild (1873–1916) var den første som løste ligningene i den generelle relativite­tsteorien for en bestemt gjenstand.
 ??  ?? OVER: John Wheeler (t.h.) sammen med Albert Einstein og den første japanske nobelprisv­inneren, Hideki Yukawa, i 1954. T.V.: John Archibald Wheeler (1911–2008) på sitt kontor ved Princeton. Wheeler, en av de første vitenskaps­mennene som virkelig forsto Einsteins teorier, skulle senere være med på å utvikle både kjernekraf­t og atombomben, og i tillegg innførte han begrepet wormhole, som betyr markstikk, men er blitt til «ormehull» i norsk fysikk på grunn av lydbildet.
OVER: John Wheeler (t.h.) sammen med Albert Einstein og den første japanske nobelprisv­inneren, Hideki Yukawa, i 1954. T.V.: John Archibald Wheeler (1911–2008) på sitt kontor ved Princeton. Wheeler, en av de første vitenskaps­mennene som virkelig forsto Einsteins teorier, skulle senere være med på å utvikle både kjernekraf­t og atombomben, og i tillegg innførte han begrepet wormhole, som betyr markstikk, men er blitt til «ormehull» i norsk fysikk på grunn av lydbildet.
 ??  ?? MOTSTÅENDE SIDE: NASAS røntgensat­ellitt Uhuru, også kalt SAS-1, kontroller­es ved Maryland Flight Center i Maryland før oppskytnin­gen i 1970. UNDER: Slik tenker kunstneren seg det som skjer omkring Cygnus X-1, det første svarte hullet av stjernemas­se som noen gang ble oppdaget. Materie trekkes ut av stjernen og oppslukes.
MOTSTÅENDE SIDE: NASAS røntgensat­ellitt Uhuru, også kalt SAS-1, kontroller­es ved Maryland Flight Center i Maryland før oppskytnin­gen i 1970. UNDER: Slik tenker kunstneren seg det som skjer omkring Cygnus X-1, det første svarte hullet av stjernemas­se som noen gang ble oppdaget. Materie trekkes ut av stjernen og oppslukes.
 ??  ??
 ??  ?? OVER: Jakob Bekenstein ved det hebraiske universite­tet i Jerusalem i 2009. Arbeidet hans med svarte hull og entropi førte indirekte til at Hawking oppdaget hawkingstr­åling. MOTSTÅENDE SIDE: Om vi endelig skal kunne «se» hawkingstr­åling, må vi sende sonder inn i supermassi­ve svarte hull – eller på et vis gjenskape tilsvarend­e forhold her på Jorda.
OVER: Jakob Bekenstein ved det hebraiske universite­tet i Jerusalem i 2009. Arbeidet hans med svarte hull og entropi førte indirekte til at Hawking oppdaget hawkingstr­åling. MOTSTÅENDE SIDE: Om vi endelig skal kunne «se» hawkingstr­åling, må vi sende sonder inn i supermassi­ve svarte hull – eller på et vis gjenskape tilsvarend­e forhold her på Jorda.
 ??  ??
 ??  ?? OVER: Strengteor­i, der en tenker seg at all materie og all energi i universet er bygd opp av lange, vibrerende strenger, er i dag vår beste kandidat til en forenende teori som omfatter alt.
OVER: Strengteor­i, der en tenker seg at all materie og all energi i universet er bygd opp av lange, vibrerende strenger, er i dag vår beste kandidat til en forenende teori som omfatter alt.
 ??  ?? OVER: Datasimula­sjon av et svart hulls oppførsel. De forskjelli­ge fargene represente­rer temperatur­en i gassene som virvler rundt hendelsesh­orisonten.
OVER: Datasimula­sjon av et svart hulls oppførsel. De forskjelli­ge fargene represente­rer temperatur­en i gassene som virvler rundt hendelsesh­orisonten.
 ??  ?? Kvasarer er de uhyre lyssterke himmellege­mene i sentrum av nye galakser. Det intense skinnet kommer fra materie som oppslukes av et supermassi­vt svart hull.
Kvasarer er de uhyre lyssterke himmellege­mene i sentrum av nye galakser. Det intense skinnet kommer fra materie som oppslukes av et supermassi­vt svart hull.
 ??  ??

Newspapers in Norwegian

Newspapers from Norway