Prije 42 godine slavni britanski fizičar Stephen Hawking predstavio je teoriju prema kojoj crne rupe nisu baš sasvim crne jer neće baš sve što dođe u kontakt s njima nestati potpuno i zauvijek.
Ovo predviđanje ima vrlo važne kosekvence za fiziku tako da je nedvojbeno zaslužilo Nobelovu nagradu. Jedini je problem u tome što ga je izuzetno teško dokazati, a najvažnija znanstvena nagrada dodjeljuje se samo za one teorije koje se eksperimentalno potvrde. No prema najnovijem radu objavljenom na web stranici arXiv.org čini se da je Hawkingova ideja napokon dokazana u laboratoriju. Ako se rezultati potvrde, Hawking bi mogao dobiti Nobela, u što je malo tko vjerovao. O čemu je zapravo riječ?
Crne rupe nisu sasvim crne
Uobičajena predodžba o crnim rupama je da su to tijela koja imaju toliko snažnu gravitaciju da će njome zarobiti sve, uključujući čak i zrake svjetlosti, ako joj se nađu dovoljno blizu, bliže od tzv. horizonta događaja. Zbog toga su crne rupe nazvane crnim rupama – jer iz njih ne izlazi ništa što u njih upadne, nikakve čestice i nikakvo zračenje.
No Hawkingovi izračuni iz 1974. pokazali su da iz njih ipak povremeno izlijeću maleni kvantni paketići svjetla, fotoni i lake čestice. Ovo zračenje, u kojem crne rupe postupno gube masu, zbog čega teoretski mogu potpuno 'ispariti', po njemu je nazvano Hawkingovim.
Osobito je zanimljiva činjenica da nova istraživanja pokazuju da bi iz crnih rupa, kroz njihovo zračenje, također mogle curiti i informacije za koje se ranije mislilo da bi, protivno načelima fizike, u crnim rupama mogle biti uništene.
Hawkingova teorija temelji se na osnovnim postavkama kvantne mehanike, odnosno na Heisenbergovom principu neodređenosti, koji kaže da se u vrlo kratkim vremenskim intervalima mogu dogoditi relativno velike fluktuacije u energiji koje će odudarati od principa o očuvanju energije. Jednostavno govoreći u kvantnim fluktuacijama u vakuumu povremeno mogu nastati parovi virtualnih čestica – parovi fotona, parovi elektron-pozitron ili bilo koji drugi parovi čestica i antičestica. One se uglavnom vrlo brzo poništavaju i nestaju. No kada se stvaraju na samom rubu horizonta događaja crne rupe, jedna od čestica iz para može upasti u crnu rupu, a druga se može osloboditi njezina utjecaja. Na taj način za dalekog promatrača činit će se da crna rupa zrači, iako zračenje neće nastati u samoj crnoj rupi već na njezinu rubu. Možemo zamisliti da jedna od te dvije čestice ima pozitivnu, a druga negativnu energiju te da čestica s negativnom energijom pada u crnu rupu čime poništava dio energije crne rupe i smanjuje ju. S druge strane čestica s pozitivnom energijom napušta crnu rupu. U ovom procesu energija je očuvana, a krajnji ishod je da je crna rupa odaslala normalnu česticu pozitivne energije koju udaljeni promatrač može zabilježiti kao zračenje. Dakle, za promatrača crna rupa neće biti sasvim crna.
Zračenje koje je gotovo nemoguće otkriti
Kao što smo već naveli, Hawkingovo zračenje u prirodi je gotovo nemoguće otkriti. Za to postoje dva razloga – najbliže crne rupe za koje znamo nalaze se vrlo daleko, a njihovo zračenje je toliko slabo da ga je na kozmičkim udaljenostima nemoguće detektirati. Zašto?
Intenzitet Hawkingova zračenja obrnuto je proporcionalan masi crne rupe, što znači da goleme crne rupe zrače izuzetno slabo, a sićušne mnogo više. Primjerice, crna rupa mase jednake masi Sunca trebala bi zračiti temperaturom od oko 10^-7 (10 na minus sedmu, odnosno 0,0000001) Kelvina. Da potpuno 'ishlapi' trebalo bi joj oko 10^66 godina, što je mnogo duže od starosti svemira. Osim toga ona usisava više pozadinskog zračenja nego što zrači pa se njezin nestanak u principu nikada neće dogoditi (barem ne dok ima što za gutati). Crna rupa promjera 13 mikrometara, a mase 4,5 x 10^22 kg, što je otprilike masa Mjeseca, održavala bi se u ravnoteži na temperaturi od oko 2,7 Kelvina tako što bi apsorbirala jednako zračenja koliko bi emitirala. Sićušne crne rupe, kakve bi se možda mogle stvoriti u CERN-u, zračile bi energiju mnogo brže nego što bi je gutale tako da bi brzo 'isparavale'. Stoga je za očekivati da bi se njihovo zračenje moglo najlakše detektirati.
U nastojanju da potvrde Hawkingovo zračenje znanstvenici su također tragali za malim, primordijalnim crnim rupama u svemiru, kakve su mogle nastati na početku stvaranja, da bi se do danas smanjile i dostigle dimenzije u kojima bi mogle naglo 'ispariti' i eksplozivno nestati. Naime, one bi u svojem samrtnom hropcu trebale osloboditi veliku energiju u obliku gama zraka koje bi tzv. Čerenkovljevi teleskopi eventualno mogli zabilježiti. No njihove eksplozije do danas nisu zabilježene.
Zbog svega navedenog znanstvenici pretpostavljaju da bi se Hawkingovo zračenje najprije moglo potvrditi u laboratorijskim eksperimentima.
U novoj studiji fizičar Jeff Steinhauer sa Sveučilišta Technion u Haifi u Izraelu odlučio je simulirati mehanizam crne rupe u laboratoriju. Stvorio je tzv. analognu crnu rupu tako što je rashladio helij do temperature koja je bila tek malo iznad apsolutne nule (-273°C). Rashlađeni tekući helij zavrtio je toliko snažno da je nastala barijera kroz koju se zvuk nije mogao probiti. Tako je nastala zvučna crna rupa. No njegovi uređaji otkrili su da iz nje stižu fononi, maleni paketići energije zvuka, koji su zvučni ekvivalent fotona. Na taj način je, u načelu, potvrdio da bi i prave crne rupe trebale zračiti.
Zanimljivo je da je prošli mjesec objavljena još jedna studija koja je ukazala na drugi mogući pristup dokazivanju Hawkingova zračenja. U njoj su Chris Adami i Kamil Bradler sa Sveučilišta u Ottawi opisali tehniku kojom se s vremenom može pratiti život crne rupe.
To znači da informacije koje prijeđu horizont događaja ne nestaju u potpunosti već polako cure nazad tijekom kasnijih faza u isparavanju crne rupe.
Obje studije tek trebaju proći kroz analize neovisnih stručnjaka, no ako se potvrde, to bi moglo značiti da bi Hawking mogao dobiti Nobela.
