Matematisk fysiker och kosmolog Stephen Hawking var mest känd för sitt arbete med att utforska förhållandet mellan svarta hål och kvantfysik. Ett svart hål är resterna av en döende supermassiv stjärna som fallit i sig själv; dessa rester drar ihop sig så liten att tyngdkraften är så stark att inte ens ljus kan fly från dem. Svarta hål väcker stort i den populära fantasin - skolelever funderar över varför hela universum inte faller ihop till ett. Men Hawkings noggranna teoretiska arbete fyllde i några av hålen i fysikers kunskap om svarta hål.

Varför finns svarta hål?

Det korta svaret är:Eftersom gravitation finns, och ljusets hastighet är inte oändlig.

Tänk dig att du står på jordens yta, och skjuta en kula i luften i vinkel. Din standardkula kommer tillbaka, någonstans längre bort. Antag att du har ett mycket kraftfullt gevär. Då kanske du kan skjuta kulan med en sådan hastighet att, snarare än att komma ner långt bort, det kommer istället att "sakna" jorden. Ständigt faller, och ständigt saknar ytan, kulan kommer faktiskt att vara i en bana runt jorden. Om ditt gevär är ännu starkare, kulan kan vara så snabb att den lämnar jordens gravitation helt och hållet. Detta är i huvudsak vad som händer när vi skickar raketer till Mars, till exempel.

Tänk dig nu att gravitationen är mycket, mycket starkare. Inget gevär kunde accelerera kulor tillräckligt för att lämna planeten, så istället bestämmer du dig för att skjuta ljus. Även om fotoner (ljuspartiklarna) inte har massa, de påverkas fortfarande av gravitationen, böja deras väg precis som en kuls bana böjs av gravitationen. Även de tyngsta av planeterna kommer inte att ha gravitationen tillräckligt stark för att böja fotonets väg tillräckligt för att förhindra att den flyr.

Men svarta hål är inte som planeter eller stjärnor, de är resterna av stjärnor, packad i de minsta sfärerna, säga, bara några kilometer i radie. Tänk dig att du kunde stå på ytan av ett svart hål, beväpnad med din strålpistol. Du skjuter uppåt i en vinkel och märker att ljusstrålen istället svänger, kommer ner och missar ytan! Nu är strålen i en "bana" runt det svarta hålet, på ett avstånd ungefär vad kosmologer kallar Schwarzschild -radien, "point of no return".

Således, eftersom inte ens ljus kan fly från där du står, objektet du bor (om du kunde) skulle se helt svart ut för någon som tittar på det på långt håll:ett svart hål.

Men Hawking upptäckte att svarta hål inte är helt svarta?

Det korta svaret är:Ja.

Min tidigare beskrivning av svarta hål använde språket i klassisk fysik - i grunden Newtons teori gällde ljuset. Men fysikens lagar är faktiskt mer komplicerade eftersom universum är mer komplicerat.

I klassisk fysik, ordet "vakuum" betyder total och fullständig frånvaro av någon form av materia eller strålning. Men inom kvantfysiken, vakuumet är mycket mer intressant, särskilt när det är nära ett svart hål. Istället för att vara tom, vakuumet vimlar av partikel-antipartikelpar som skapas flyktigt av vakuumets energi, men måste utplåna varandra kort därefter och återföra sin energi till vakuumet.

Du hittar alla typer av partikel-antipartikelpar som produceras, men de tyngre förekommer mycket mer sällan. Det är lättast att producera fotonpar eftersom de inte har någon massa. Fotonerna måste alltid produceras i par så att de går bort från varandra och inte bryter mot lagen om bevarande av momentum.

Föreställ dig nu att ett par skapas precis på det avståndet från mitten av det svarta hålet där "den sista ljusstrålen" cirkulerar:Schwarzschild -radien. Detta avstånd kan vara långt från ytan eller nära, beroende på hur mycket massa det svarta hålet har. Och tänk dig att fotonparet är skapat så att en av de två pekar inåt - mot dig, i mitten av det svarta hålet, håller i din strålpistol. Den andra fotonen pekar utåt. (Förresten, du skulle troligen bli krossad av tyngdkraften om du försökte denna manöver, men låt oss anta att du är övermänsklig.)

Nu är det ett problem:Den ena fotonen som rörde sig inuti det svarta hålet kan inte komma ut igen, för det rör sig redan med ljusets hastighet. Fotonparet kan inte utplåna varandra igen och betala tillbaka sin energi till vakuumet som omger det svarta hålet. Men någon måste betala pipan och det här måste vara själva svarta hålet. Efter att den välkomnat fotonen till sitt land utan återvändo, det svarta hålet måste återföra en del av sin massa tillbaka till universum:exakt samma mängd massa som den energi fotonparet "lånade, "enligt Einsteins berömda jämställdhet E =mc².

Detta är i huvudsak vad Hawking visade matematiskt. Fotonen som lämnar det svarta hålets horisont kommer att få det att se ut som om det svarta hålet hade en svag glöd:Hawking -strålningen uppkallad efter honom. Samtidigt resonerade han att om detta händer mycket, under en lång tid, det svarta hålet kan förlora så mycket massa att det kan försvinna helt (eller mer exakt, bli synlig igen).

Försvarar svarta hål information för alltid?

Kort svar:Nej, det skulle strida mot lagen.

Många fysiker började oroa sig för denna fråga strax efter Hawkings upptäckt av glödet. Oron är följande:Fysikens grundläggande lagar garanterar att varje process som sker "framåt i tiden, "kan också hända" bakåt i tiden. "

Detta verkar strida mot vår intuition, där en melon som plaskade på golvet aldrig magiskt skulle sätta ihop sig igen. Men vad som händer med stora föremål som meloner dikteras verkligen av statistiklagarna. För att melonen ska sättas ihop igen, många miljarder atompartiklar skulle behöva göra samma sak bakåt, och sannolikheten för det är i huvudsak noll. Men för en enda partikel är detta inga problem alls. Så för atomiska saker, allt du observerar framåt kan lika sannolikt inträffa bakåt.

Tänk dig nu att du skjuter in en av två fotoner i det svarta hålet. De skiljer sig bara genom en markör som vi kan mäta, men det påverkar inte fotonens energi (detta kallas en "polarisering"). Låt oss kalla dessa "vänster fotoner" eller "höger fotoner." Efter att vänster eller höger foton passerar horisonten, det svarta hålet ändras (det har nu mer energi), men det förändras på samma sätt om vänster eller höger foton absorberades.

Två olika historier nu har blivit en framtid, och en sådan framtid kan inte vändas:Hur skulle fysikens lagar veta vilket av de två förflutna man ska välja? Vänster eller höger? Det är kränkningen av tidsomvändningsvariation. Lagen kräver att varje förflutet måste ha exakt en framtid, och varje framtid exakt ett förflutet.

Vissa fysiker trodde att Hawking -strålningen kanske bär ett avtryck av vänster/höger för att ge en yttre observatör en antydan om vad det förflutna var, men nej. Hawking -strålningen kommer från det flimrande vakuumet som omger det svarta hålet, och har ingenting att göra med det du kastar i. Allt verkar förlorat, men inte så snabbt.

År 1917, Albert Einstein visade att materia (även vakuumet bredvid materia) faktiskt reagerar på inkommande saker, på ett mycket märkligt sätt. Vakuumet bredvid den saken "kittlas" för att producera ett partikel-antipartikelpar som ser ut som en exakt kopia av det som just kommit in. I mycket verklig mening, den inkommande partikeln stimulerar saken att skapa ett par kopior av sig själv-faktiskt en kopia och en antikopia. Kom ihåg, slumpmässiga partiklar och antipartiklar skapas i vakuumet hela tiden, men de kittlade paren är inte slumpmässiga alls:De ser ut precis som kittlaren.

Denna kopieringsprocess är känd som "stimulerad emission" -effekt och har ursprunget till alla lasrar. Hawking -glödet av svarta hål, å andra sidan, är precis vad Einstein kallade "spontanemission" -effekten, sker nära ett svart hål.

Tänk dig nu att kittlingen skapar denna kopia, så att den vänstra fotonen kittlar ett vänster fotonpar, och en rätt foton ger ett rätt fotonpar. Eftersom en partner till de kittlade paren måste stanna utanför det svarta hålet (igen från bevarande av momentum), att partikeln skapar det "minne" som behövs så att information bevaras:Ett förflutet har bara en framtid, tiden kan vändas, och fysikens lagar är säkra.

I en kosmisk olycka, Hawking dog på Einsteins födelsedag, vars teori om ljus, det bara händer så, sparar Hawkings teori om svarta hål.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.