Οι μαύρες τρύπες δεν είναι και τόσο μαύρες...

Η τολμηρή θεωρία του Στίβεν Χόκινγκ, ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, βρήκε επιτέλους την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση

Oι μελανές οπές, ή μαύρες τρύπες όπως συνηθίζεται να αποκαλούνται, είναι αντικείμενα με τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο ώστε σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία Σχετικότητας τίποτε, ούτε το φως, δεν μπορεί να διαφύγει από το εσωτερικό τους. Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Στίβεν Χόκινγκ όμως έγινε γνωστός από την επαναστατική ιδέα που πρότεινε πριν από 37 χρόνια, σύμφωνα με την οποία οι μελανές οπές ακτινοβολούν, όπως και ένα οποιοδήποτε θερμό σώμα. Την ακτινοβολία αυτή ισχυρίζεται ότι παρατήρησε πειραματικά μια ομάδα ιταλών φυσικών. 

Η «τρύπα» στην Εντροπία 

Λίγους μήνες μετά τη διατύπωση της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας από τον Αϊνστάιν το 1916 ο γερμανός φυσικός Καρλ Σβάρτσιλντ διαπίστωσε ότι εμφανιζόταν μια ανωμαλία στις λύσεις των εξισώσεών της. Συγκεκριμένα, αν μελετήσει κανείς «βαριά» σφαιρικά σώματα, διαπιστώνει ότι σε μια ορισμένη απόσταση από το κέντρο τους οι εξισώσεις του Αϊνστάιν αποκτούν άπειρη τιμή! Πέρασαν αρκετά χρόνια έως ότου το 1958 ο Ντέιβιντ Φινκελστάιν αναγνώρισε ότι στην απόσταση αυτή υπάρχει μια σφαιρική επιφάνεια που δεν επιτρέπει τη διέλευση ύλης και φωτός από το εσωτερικό της σφαίρας προς το υπόλοιπο Σύμπαν. Οι επιστήμονες ονόμασαν αυτή την επιφάνεια ορίζοντα γεγονότων επειδή, όπως και στον γεωγραφικό ορίζοντα, δεν μπορεί να «δει» κανείς πέρα από αυτήν. Σε μια διάλεξή του το 1967 ο αμερικανός αστροφυσικός Τζον Γουίλερ ονόμασε την επιφάνεια αυτή μελανή οπήκαι από τότε ο όρος αυτός, που έχει μια «μυστηριακή» χροιά αλλά είναι και επιστημονικά ακριβής, έχει παραμείνει στην επιστημονική ορολογία αλλά και στα εκλαϊκευτικά κείμενα. 

Η ονομασία όμως αυτού του «εξωτικού» αντικειμένου είναι άλλο πράγμα και άλλο η κατανόηση των χαρακτηριστικών του. Κατ΄ αρχήν και μόνο το γεγονός πως ό,τι πέσει στο εσωτερικό μιας μελανής οπής δεν μπορεί να βγει πάλι έξω είναι κάτι που ενοχλεί τους επιστήμονες, αφού έτσι χάνεται η πληροφορία για τις ιδιότητες του σώματος που πέφτει, π.χ. σχήμα, χρώμα, χημική σύσταση. Χάνεται ακόμη και η πληροφορία για το πόσα πρωτόνια και ηλεκτρόνια έχει! Επειδή η ποσότητα της πληροφορίας για ένα σύστημα ονομάζεται στη Φυσική εντροπία, η παραπάνω ιδιότητα σημαίνει ότι η εντροπία του Σύμπαντος μειώνεται όταν ένα αντικείμενο πέσει σε μια μελανή οπή. Αυτό δεν συμφωνεί με το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, σύμφωνα με το οποίο η εντροπία ενός συστήματος δεν ελαττώνεται ποτέ. Με άλλα λόγια, φαινόταν ότι η ύπαρξη των μελανών οπών δεν συμφωνούσε με τη γνωστή Φυσική. 

Η πρόταση του Χόκινγκ 

Ενας επιστήμονας που συνετέλεσε αποφασιστικά στο να επανέλθουν τα πράγματα στην τάξη ήταν ο Στίβεν Χόκινγκ, ο οποίος το 1973 έδειξε ότι αν συνδυάσουμε τη Γενική Θεωρία Σχετικότητας με την Κβαντομηχανική διαπιστώνουμε ότι οι μελανές οπές δεν είναι εντελώς μαύρες, αλλά εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Επειδή η Γενική Θεωρία Σχετικότητας είναι γενικά ασύμβατη με την Κβαντομηχανική, πολλοί επιστήμονες της εποχής αντιμετώπισαν με σκεπτικισμό αυτό το αποτέλεσμα. Αν η μελανή οπή ακτινοβολεί, τότε θα πρέπει να έχει κάποια θερμοκρασία, όπως γνωρίζουμε όχι μόνο από τη Φυσική, αλλά και από την καθημερινή ζωή. Ενα πυρωμένο σίδερο φαίνεται κόκκινο και το νήμα μιας από τις παλιές λάμπες πυράκτωσης φαίνεται κίτρινο. Μπορούμε άραγε να καθορίσουμε τη θερμοκρασία μιας μελανής οπής; Δεν πέρασε πολύς καιρός από την πρωτοποριακή πρόταση του Χόκινγκ και διαπιστώθηκε ότι μπορούμε πραγματικά να καθορίσουμε όχι μόνο τη θερμοκρασία μιας μελανής οπής, αλλά και την εντροπία της. Οταν ένα σώμα πέφτει σε μια μελανή οπή, η εντροπία του Σύμπαντος ελαττώνεται αλλά η εντροπία της μελανής οπής αυξάνεται με τέτοιον τρόπο ώστε το άθροισμά τους δεν ελαττώνεται ποτέ. Ετσι οι μελανές οπές έπαψαν να παραβιάζουν το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα και η ιδέα του Χόκινγκ ότι εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία άρχισε να γίνεται αποδεκτή από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. 

Το πώς και γιατί μπορεί να ακτινοβολεί μια μελανή οπή δεν είναι δύσκολο να το κατανοήσει ακόμη και ένας μη ειδικός. Σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, στον χώρο γύρω μας δημιουργούνται διαρκώς ζευγάρια από σωματίδια και αντισωματίδια, π.χ. ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια ή πρωτόνια και αντιπρωτόνια. Τα σωματίδια αυτά ενώνονται και πάλι και εξαφανίζονται σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα που δεν προλαβαίνουμε να αντιληφθούμε την ύπαρξή τους. Για τον λόγο αυτόν ονομάζονται δυνητικά . Αν όμως το ζευγάρι δημιουργηθεί κοντά σε έναν ορίζοντα γεγονότων, τότε το ένα δυνητικό σωματίδιο μπορεί να περάσει τον ορίζοντα και να «εξαφανισθεί» μέσα στη μελανή οπή, οπότε το άλλο χάνει το ταίρι του και παραμένει ως πραγματικό σωματίδιο. Από μακριά φαίνεται σαν η μελανή οπή να έχει «εκπέμψει» ένα σωματίδιο. Κάτι παρόμοιο απέδειξε ο Χόκινγκ ότι συμβαίνει και με τα φωτόνια, φαινόμενο που ονομάστηκε «ακτινοβολία Χόκινγκ». 

Η πειραματική επιβεβαίωση 

Ομως κάθε πρωτοποριακή ιδέα, πέρα από τη θεωρητική δικαιολόγηση, χρειάζεται και επιβεβαίωση με πειράματα. Για τον λόγο αυτόν τα τελευταία χρόνια αρκετές ομάδες έχουν ξεκινήσει προσπάθειες για να παρατηρήσουν την ακτινοβολία Χόκινγκ πειραματικά. Επειδή δεν είναι δυνατόν, τουλάχιστον προς το παρόν, να κάνουμε πειράματα στην περιοχή μιας μελανής οπής, οι ομάδες αυτές προσπαθούν να κατασκευάσουν «τεχνητούς» ορίζοντες γεγονότων. Μία από τις ομάδες αυτές, με επικεφαλής τον ιταλό φυσικό Φραντσέσκο Μπελτζιόρνο, ανακοίνωσε πρόσφατα ότι πέτυχε τον σκοπό της. Στο πείραμα της ιταλικής ομάδας ισχυροί παλμοί λέιζερ διαβιβάζονται μέσα σε γυαλί εξαιρετικής καθαρότητας. Λόγω της μεγάλης ισχύος των παλμών, οι οπτικές ιδιότητες του γυαλιού αλλάζουν και ο δείκτης διάθλασής του αυξάνει απότομα, έτσι ώστε το φως δεν μπορεί να προχωρήσει πέρα από μια θέση. Αυτό δημιουργεί έναν «τεχνητό» ορίζοντα γεγονότων. Αν δημιουργηθεί ένα ζεύγος δυνητικών σωματιδίων στην περιοχή αυτού του ορίζοντα γεγονότων, τότε θα παρατηρήσουμε μια ακτινοβολία ανάλογη με την ακτινοβολία Χόκινγκ μιας μελανής οπής. Πριν από λίγες ημέρες η ιταλική ομάδα ανακοίνωσε ότι παρατήρησε τέτοιου είδους φωτόνια, αποδεικνύοντας έτσι την ορθότητα της θεωρίας του Χόκινγκ. Αν αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιωθεί με νεότερα πειράματα, θα έχει αποδειχθεί μια από τις πιο τολμηρές προβλέψεις που έχει κάνει ως σήμερα θεωρητικός φυσικός. 

Ο Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.