Svarta hål kastar upp

Forskarna har lyckats bygga en bro mellan Einsteins relativitetsteori och Hawkings tankar om kvantmekaniken genom att titta närmare på teorier för maskhål, bland annat hur partiklar i svarta hål kan vara sammanflätade med partiklar utanför.

Teorin bygger vidare på den så kallade brandväggsteorin från år 2012, som förklarar att allt som närmar sig ett svart hål möter en mur av energi vid den så kallade händelsehorisonten. Där skulle en osynlig koncentration av partiklar få personen eller rymdfarkosten att ”brinna upp” och förkolnas tills bara aska återstod. Teorin hade emellertid stora brister, så nu har forskarna uppdaterat den.

Vi saknar en teori om allting

Att resa in i ett svart hål känns så klart väldigt främmande, men liknande tankeexperiment är ett av fysikernas viktigaste, eftersom de svarta hålen på grund av sina extrema egenskaper utgör själva stridsplatsen mellan fysikens två dominerande strömningar, relativitetsteorin och kvantmekaniken. Dessa två har fysikerna kämpat för att förena i omkring 100 år.

Fysikerna talar om paradoxer, eftersom det ofta uppstår konflikter när man följer både kvantmekanikens och relativitetsteorins principer.

Enligt Albert Einsteins relativitetsteori är svarta hål så extrema att de på grund av sin oändligt höga densitet inte släpper ut någonting, inte ens ljus. År 1974 föreslog emellertid Stephen Hawking att svarta hål inte äter allt, utan bland annat avger kvantpartiklar. Den teorin har i dag fått brett erkännande, och partiklarna som tar sig ut kallas hawkingstrålning.

En av Hawkings egna studenter, fysikern Don Page, visade på sin tid att partiklar på väg bort från det svarta hålet måste vara sammanflätade, vilket han på engelska kallade entanglement. Det finns med andra ord en förbindelse mellan den hawkingstrålning som har lämnat det svarta hålet och den del som har slukats av det.

Einstein, som skapade den speciella och den allmänna relativitetsteorin åren 1905 respektive 1915, är en av de tidiga huvudpersonerna i teorin om svarta hål. Parallellt utvecklade fysiker som Niels Bohr och Erwin Schrödinger kvantmekaniken. Dessa båda teorier kom att dominera fysiken, men på olika sätt.

En av de stora insikter Einstein fick av den allmänna relativitetsteorin var att planeters och stjärnors massa böjer rumtiden som ett bowlingklot som läggs på ett utsträckt lakan och tynger ner det i mitten. Det är det vi upplever som gravitation.

I den motsatta änden beskriver kvantmekaniken världens minsta beståndsdelar, till exempel atomkärnor, fotoner och elektroner. De beter sig på ett betydligt mer mystiskt vis än den mest kreativt tänkande fysiker skulle kunna föreställa sig.

Ett exempel på det är den så kallade superpositionen, där partiklar befinner sig på två olika platser samtidigt. Två partiklar kan också vara en sorts speglingar av varandra, trots att de är fysisk åtskilda av enorma kosmiska avstånd, alltså just entanglement eller sammanflätning.

Sedan 1920-talet har fysikerna kämpat med att försöka förena relativitetsteorin och teorin om kvantmekanik i en sammanhängande teori om kvantgravitation som omfattar allt, i stället för två skilda teorier som verkar var för sig. Trots att Einstein bidrog väsentligt till kvantmekanikens utveckling var han skeptisk till flera av kvantmekanikens egenskaper, som inte framstår som logiska när man ser med vardagsglasögonen på, däribland sammanflätning, som han kallade ”spöklik”.

Maskhål en del av lösningen

Under 1900-talet utgör de svarta hålen frontlinjen mellan relativitetsteorin och kvantmekaniken. Dessa mystiska kosmiska fenomen pressar både gravitationen och kvantmekaniken till det yttersta.

Där blev det som Stephen Hawking år 1974 kallade ”svarta hålets informationsparadox” en viktig milstolpe. I denna paradox undersöker Hawking sammanflätade ”partikelpar”, det vill säga partiklar som trots att de är fysiskt åtskilda är förbundna med varandra vid ett svart håls händelsehorisont.

De kvantmekaniska partikelparen står alltså med ”ena benet” på vardera sidan av händelsehorisonten. De två partiklarna slits då isär, varefter den ena slukas av det svarta hålet, medan den andra släpps ut i form av så kallad hawkingstrålning.

Paradoxen uppstår för att det svarta hålet enligt kvantmekaniken med tiden ”förångas” och då lämnar efter sig partikeln som släppts ut i kvantmekanisk sammanflätning med ... ingenting alls.

VIDEO: Få en förklaring av vad singulariteten gör med oss i ett svart hål

Forskarna har dock lyckats föra Einstein och Hawking – och därmed relativitetsteorin och kvantmekaniken – närmare varandra. Maskhål, som kan betraktas som en sorts tunnlar mellan två himlakroppar i universum, till exempel svarta hål, strider nämligen inte mot relativitetsteorin. Forskarna har på senare år kommit fram till att kvantmekanikens sammanflätning och maskhål kan vara ett och samma fenomen, bara beskrivet med två olika teorier.

Brandväggsteorin är en trafikskylt

Brandväggsteorin har på motsvarande vis kunnat hjälpa forskarna vidare. Det menar den teoretiska fysikern Ahmed Almheiri, en av forskarna bakom brandväggsparadoxen. Han har sin dagliga verksamhet vid Princeton Institute for Advanced Study, där även Albert Einstein forskade under åren 1933–55.

”Enligt brandväggsparadoxen kan en partikel på händelsehorisontens utsida bara vara sammanflätad med en partikel långt bort i strålningen (från det svarta hålet, red.), men den kan också bara vara sammanflätad med sin partner inne i det svarta hålet”, säger Ahmed Almheiri om teorin som han formulerade tillsammans med sina kollegor år 2012, och tillägger: ”Brandväggsparadoxen är en trafikskylt som pekar i riktning mot vår okunskap om de svarta hålens sanna natur. Vår senaste forskning tyder på att själva rumtidens natur – och vad som ligger nära vad – i hög grad beror på sammanflätningen mellan olika delar av rumtiden. På så vis befinner sig det svarta hålets inre i någon mening ”nära” den strålning som annars befinner sig långt bort från det svarta hålet”, säger Ahmed Almheiri.

Så vad betyder det för upplevelsen av att resa in i ett svart hål, ända in till kärnan, den så kallade singulariteten? En astronaut ombord på en rymdfarkost brinner åtminstone inte upp i en mur av eld vid händelsehorisonten, som paradoxen ursprungligen förutsade, menar Almheiri.

Brandväggsparadoxens lösning tyder i stället på att det inte finns någon konflikt med Einsteins uppfattning. I stället för ett glödhett slut skulle rymdfarkosten och astronauten inte märka något särskilt förrän händelsehorisonten passeras, då han och rymdfarkosten sakta skulle sträckas ut som spagetti på vägen mot singulariteten.

I dag vet vi att svarta hål är verkliga himlakroppar och att det troligen finns massor av dem i universum. Det bekräftades bland annat av en historisk bild från år 2019 av ett svart hål i galaxen Messier 87. Det svarta hålet syns inte, eftersom det slukar ljuset, precis som Einstein förutsade.

I mitten av vår egen galax tror astronomerna till exempel att det döljer sig ett jättelikt svart hål, Sagittarius A*, som väger omkring 4,6 miljoner gånger mer än solen.

Om fysikerna med tiden kommer att kunna säga om vi brinner upp, sträcks ut eller dras isär när vi sugs in i ett svart hål är emellertid fortfarande ovisst.

”Det är nog lite av ett långskott. Även om vi hittar ett svart hål som ligger tillräckligt nära oss för att göra experiment på, kommer de att vara så komplexa att det lär krävas minst universums livslängd att utföra dem”, säger Ahmed Almheiri.

Artikeln utgavs första gången 2021.