Mustat aukot saivat uudet säännöt – Hawkingin perintö elää ja kehittyy

Olen myöntävä: mustat aukot ovat kiehtoneet minua niin kauan kuin muistan. Nämä kosmiset jättiläiset, joiden painovoima on niin valtava, ettei valokaan pääse pakoon, saavat aivoni särähtämään tavalla, joka tuntuu jotenkin oikealta. Ehkä siksi niistä puhuminen on niin koukuttavaa. Ne ovat samaan aikaan sekä pelottavia että kiehtovia.

Joten kun näin uutisen siitä, että fyysikot saattavat olla ratkaisemassa yhtä mustien aukkojen tutkimuksen suurimmista esteistä, en voinut vastustaa halua kaivaa asia syvemmälle.

Hawkingin perintö ja sen rajoitteet

Tarina alkaa Stephen Hawkingista, tuosta legendaarisesta fyysikosta, jonka me menetimme vuonna 2018. Hän vietti vuosia osoittaakseen, että mustat aukot noudattavat sääntöjä, jotka muistuttavat hämmästyttävän paljon tavallista termodynamiikkaa – samaa fysiikkaa, joka selittää vaikkapa sen, miten kahvisi jäähtyy. Aika siistimpää, eikö?

Hawkingin suuri oivallus oli tämä: mustilla aukoilla on entropia eli epäjärjestyksen mitta, ja niillä on jopa lämpötila. Tämä oli mullistavaa, koska se tarkoitti, etteivät mustat aukot olleet täysin eristettyjä, käsittämättömiä kohteita – niitä saattoi kuvailla matemaattisesti.

Mutta oli yksi mutta. Ja se on melkoinen sellainen.

Hawkingin malli toimii vain, kun musta aukko on paikallaan, tasapainossa ympäristönsä kanssa. Ajattele sitä niin, että mittaat kahvisi lämpötilan juuri silloin, kun se seisoo rauhallisesti mukissasi – ei silloin, kun kaadat sitä tai kun se höyrystyy kylmällä säällä.

Ongelma? Todellisuudessa mustat aukot eivät koskaan vain ole paikallaan. Ne muuttuvat jatkuvasti. Ne syntyvät, kun valtavat tähdet romahtavat. Ne törmäävät toisiinsa ja fuusioituvat, jolloin spacetime aaltoilee. Ja äärettömän pitkien aikojen kuluessa ne haihtuvat hiljalleen pois.

Käytännössä siis Hawking antoi meillä säännöt mustalle aukolle, joka elelee yksin tyhjässä universumissa – mikä ei oikeastaan kuvaa mustien aukkojen todellista käyttäytymistä.

Tulevaisuuden sijaan nykyhetkeen

Tässä kohtaa tarina muuttuu jännittäväksi. Penn Staten yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa fyysikko Abhay Ashtekar, on ehdottanut ratkaisua. He ovat kehittäneet uuden tavan mitata mustien aukkojen entropiaa, joka toimii silloinkin, kun nämä kohteet ovat muuttumassa, törmäilemässä tai haihtumassa.

Heidän ratkaisunsa? Hylätä perinteinen "tapahtumahorisontti" – se kuuluisa piste, josta ei ole paluuta – ja käyttää sen sijaan jotain nimeltä "dynaaminen horisontti". Ero on itse asiassa melko looginen, kun pääset ohi hienostuneen termistön.

Tapahtumahorisontti on tavallaan eteenpäin katsova käsite – se riippuu siitä, mitä ennustetaan tapahtuvan valolle ja materielle tulevaisuudessa. Siksi sen kanssa oli niin hankala työskennellä muuttuvien mustien aukkojen kohdalla. Yrität käytännössä mitata jotain tapahtumien perusteella, joita ei ole vielä tapahtunut.

Dynaaminen horisontti sen sijaan määritellään sen perusteella, mitä tapahtuu juuri nyt, tässä hetkessä. Se ohittaa koko tulevaisuuden ennustamisen sotkun ja antaa fyysikoiden laskea entropian mustan aukon todellisten, nykyisten ominaisuuksien perusteella – kuten pyörimisestä ja energiasta.

Ashtekar tiivisti asian näin: "Tämä mahdollistaa termodynamiikan ensimmäisen ja toisen lain laajentamisen mustille aukoille, jotka eivät ole tasapainossa, ja ylittää näin puolen vuosisadan ajan käytetyn mallin rajoitteet."

Yksinkertaisemmin sanottuna: nyt voimme vihdoin soveltaa termodynamiikan sääntöjä mustiin aukkoihin, jotka oikeasti tekevät jotain.

Miksi tällä on väliä

Tässä kohtaa sisäinen avaruusnörttini pääsee toden teolla vauhtiin. Tämä ei ole vain matemaattinen korjaus teoreettiseen ongelmaan – se voi auttaa meitä ymmärtämään universumin dramaattisimpia tapahtumia.

Ota vaikka mustien aukkojen fuusiot, sellaiset kuin LIGO on havainnut. Kun kaksi mustaa aukkoa kiertää toisiaan ja yhdistyvät, ne eivät missään nimessä ole tasapainossa. Uusi viitekehys voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, mitä näissä törmäyksissä tapahtuu ja mitä se tarkoittaa syntyvälle uudelle mustalle aukolle.

Ja sitten on haihtumiskysymys. Hawking osoitti, että mustat aukot menettävät hitaasti energiaansa prosessissa, jota nykyään kutsutaan Hawkingin säteilyksi. Lopulta musta aukko voisi teoriassa haihtua kokonaan. Mutta nykyinen ymmärryksemme tuosta loppuvaiheesta on parhaimmillaankin sumea. Ehkä tämä uusi lähestymistapa antaa fyysikoille paremmat työkalut selvittää, mitä tapahtuu näissä äärimmäisissä loppuhetkissä.

Isompi kuva

Se, mikä minuun todella vetoaa, on se, miten tämä tarina heijastaa tieteen luonnetta. Hawkingin työ ei ollut väärin – se oli mullistavaa. Mutta se oli myös keskeneräistä, koska kaikki hyvä tiede on keskeneräistä. Se ei ole puute; se on ominaisuus.

Jokainen fyysikkosukupolvi rakentaa sen päälle, mitä ennen sitä tuli. Etsitään reunoja, joissa vanhat mallit pettävät, ja laajennetaan niitä uusille alueille. Juuri näin Ashtekarin ryhmä on tehnyt. He eivät heittäneet Hawkingin viitekehystä romukoppaan; he laajensivat sitä kattamaan tapaukset, joita se ei aiemmin pystynyt käsittelemään.

Ja rehellisesti sanottuna pidän mielessäni mielikuvaa siitä, että Hawking olisi ollut innoissaan tästä. Mies oli kuuluisa siitä, että muutti mieltään, kun todisteet sitä vaativat. Viitekehys, joka tekee hänen mustien aukkojen termodynamiikastaan voimakkaamman ja laajemmin sovellettavan? Se kuulostaa juuri sellaiselta tieteelliseltä edistykseltä, jota hän urallaan juhli.

Joten kun seuraavan kerran kuulet mustista aukoista – ehkä uuden havainnon tai teoreettisen läpimurron yhteydessä – muista, että olemme yhä rakentamassa sääntökirjaa näille outouksille. Ja ilmeisesti olemme yhä parantamassa Hawkingin työtä, vuosia hänen poismenonsa jälkeen.

Jos tuo ei ole samalla sekä nöyryyttävää että inspiroivaa, en tiedä mikä on.