Egy fekete lyukba zuhanó ember különös sorsa

Ez volt a legolvasottabb történet a BBC Earth-en 2015-ben. Itt az újabb lehetőség, hogy elolvassuk.

Mindenkivel megtörténhet. Talán épp egy új lakható bolygót próbálsz találni az emberiség számára, vagy csak egy hosszú sétán csúszol el. Bármilyenek is a körülmények, valamikor mindannyian szembesülünk az ősrégi kérdéssel: mi történik, ha beleesünk egy fekete lyukba?

Elképzelhető, hogy összetörik, vagy talán darabokra szakad. De a valóság ennél furcsább.

Amint belépnél a fekete lyukba, a valóság kettészakadna. Az egyikben azonnal elhamvadnál, a másikban pedig teljesen sértetlenül zuhannál tovább a fekete lyukba.

A fekete lyuk egy olyan hely, ahol a fizika általunk ismert törvényei összeomlanak. Einstein megtanította nekünk, hogy a gravitáció magát a teret görbíti, görbületet okozva. Tehát egy elég sűrű objektum esetén a téridő annyira eltorzulhat, hogy önmagába csavarodik, lyukat fúrva a valóság szövetébe.

Egy hatalmas csillag, amelynek elfogyott az üzemanyaga, képes olyan extrém sűrűséget létrehozni, amely egy ilyen szétroncsolt világdarab létrehozásához szükséges. Ahogy meghajlik a saját súlya alatt és befelé omlik, a téridő is beomlik vele együtt. A gravitációs mező olyan erős lesz, hogy még a fény sem tud kiszabadulni, így az a terület, ahol a csillag korábban volt, mély sötétté válik: fekete lyukká.

Ahogy egyre mélyebbre hatolunk a fekete lyukba, a tér egyre görbültebbé válik

A lyuk legkülső határa az eseményhorizont, az a pont, ahol a gravitációs erő pontosan ellensúlyozza a fény menekülési kísérleteit. Ha ennél közelebb megyünk, nincs menekvés.

Az eseményhorizont lángol az energiától. A szélén fellépő kvantumhatások forró részecskék áramlatait hozzák létre, amelyek visszasugároznak a világegyetembe. Ezt nevezik Hawking-sugárzásnak, Stephen Hawking fizikus után, aki megjósolta. Elég idő elteltével a fekete lyuk kisugározza a tömegét, és eltűnik.

Amint mélyebbre jutunk a fekete lyukban, a tér egyre görbültebbé válik, míg végül a középpontban végtelenül görbévé válik. Ez a szingularitás. A tér és az idő megszűnik értelmes fogalom lenni, és a fizika általunk ismert törvényei – amelyek mind tér és időt igényelnek – többé nem érvényesek.

Mi történik itt, senki sem tudja. Egy másik univerzum? Feledés? Egy könyvespolc hátulja? Ez egy rejtély.

Szóval mi történik, ha véletlenül beleesel valamelyik ilyen kozmikus aberrációba? Kezdjük azzal, hogy megkérdezzük űrbeli társadat – nevezzük Anne-nek -, aki rémülten nézi, ahogy te a fekete lyuk felé zuhansz, míg ő biztonságban kívül marad. Onnan, ahol ő lebeg, a dolgok hamarosan furcsává válnak.

Amint felgyorsulsz az eseményhorizont felé, Anne látja, hogy megnyúlsz és eltorzulsz, mintha egy óriási nagyítón keresztül nézne téged. Mi több, minél közelebb kerülsz a horizonthoz, annál inkább úgy tűnik, hogy lassított felvételben mozogsz.

Mielőtt még átlépnél a fekete lyuk sötétségébe, hamuvá válsz

Nem kiabálhatsz neki, mivel az űrben nincs levegő, de megpróbálhatsz neki Morse-üzenetet villantani az iPhone-od fényével (van erre egy alkalmazás). A szavaid azonban egyre lassabban jutnak el hozzá, a fényhullámok egyre alacsonyabb és vörösebb frekvenciákra nyúlnak: “Rendben, a l r i g h t, a l r i…”

Amikor eléritek a horizontot, Anne látja, hogy megdermedsz, mintha valaki megnyomta volna a szünet gombot. Ott maradsz gipszben, mozdulatlanul, a horizont felszínén feszülve, miközben egyre növekvő hőség kezd elnyelni téged.

A Anne szerint a tér megnyúlása, az idő megállása és a Hawking-sugárzás tüze lassan eltöröl téged. Mielőtt még átlépnél a fekete lyuk sötétségébe, hamuvá válsz.

De mielőtt megterveznénk a temetésedet, felejtsük el Anne-t, és nézzük meg ezt a hátborzongató jelenetet a te szemszögedből. Most valami még furcsább történik: semmi.

Egyenesen belevitorlázol a természet legbaljóslatúbb célpontjába, anélkül, hogy akár csak egy döccenés vagy rázkódás – és pláne semmilyen nyúlás, lassulás vagy perzselő sugárzás – érne. Ez azért van, mert szabadesésben vagy, és ezért nem érzed a gravitációt: ezt Einstein a “legboldogabb gondolatának” nevezte.

Egy elég nagy fekete lyukban egész normálisan leélheted életed hátralévő részét

Az eseményhorizont ugyanis nem olyan, mint egy térben lebegő téglafal. Ez a perspektíva műtárgya. Egy megfigyelő, aki a fekete lyukon kívül marad, nem lát át rajta, de ez nem a te problémád. Ami téged illet, nincs horizont.

Naná, ha a fekete lyuk kisebb lenne, akkor lenne problémád. A gravitációs erő sokkal erősebb lenne a lábadnál, mint a fejednél, és úgy feszítene ki, mint egy darab spagettit. De szerencsédre ez egy nagy, több milliószor nagyobb tömegű, mint a Napunk, így a téged spagettizni képes erők elég gyengék ahhoz, hogy figyelmen kívül hagyd őket.

Sőt, egy elég nagy fekete lyukban egész normálisan leélhetnéd a hátralévő életedet, mielőtt a szingularitásban meghalnál.

Mennyire lehet ez normális, gondolhatnád, tekintve, hogy a tér-idő kontinuum szakadása felé szippantanak, akaratod ellenére húznak magukkal, és képtelen vagy visszafordulni a másik irányba?

Nem tudsz visszafordulni és elmenekülni a fekete lyuk elől

De ha belegondolsz, mindannyian ismerjük ezt az érzést, nem a térrel, hanem az idővel kapcsolatos tapasztalatainkból. Az idő csak előre megy, visszafelé soha, és akaratunk ellenére magával ránt minket, megakadályozva, hogy megforduljunk.

Ez nem csak egy hasonlat. A fekete lyukak olyan szélsőségesen eltorzítják a teret és az időt, hogy a fekete lyuk horizontján belül a tér és az idő valóban szerepet cserél. Bizonyos értelemben valóban az idő az, ami a szingularitás felé húz. Nem tudsz megfordulni és elmenekülni a fekete lyuk elől, mint ahogyan nem tudsz megfordulni és visszautazni a múltba sem.

Ezzel a ponttal talán érdemes megállni és feltenni magadnak egy sürgető kérdést: Mi a fene baj van Anne-nel? Ha a fekete lyuk belsejében hűsölsz, amit semmi furcsább nem vesz körül, mint az üres tér, miért ragaszkodik ahhoz, hogy a horizonton kívüli sugárzás égetett porig téged? Csak nem hallucinál?

Valójában Anne teljesen ésszerűen viselkedik. Az ő szemszögéből nézve téged tényleg szénné égettek a horizonton. Ez nem illúzió. Még a hamvaidat is összegyűjthetné, és visszaküldhetné a szeretteidnek.

A természet törvényei valójában megkövetelik, hogy Anne szemszögéből nézve a fekete lyukon kívül maradj. Ez azért van, mert a kvantumfizika megköveteli, hogy az információ soha ne vesszen el. Minden információdarabkának, amely a létezésedért felel, a horizonton kívül kell maradnia, nehogy Anne fizikai törvényei megszűnjenek.

Két helyen kell lenned, de csak egy példány létezhet belőled

Másrészt a fizika törvényei azt is megkövetelik, hogy úgy hajózz át a horizonton, hogy ne találkozz forró részecskékkel vagy bármi szokatlannal. Ellenkező esetben megszegnéd Einstein legboldogabb gondolatát és az általános relativitáselméletét.

A fizika törvényei tehát megkövetelik, hogy egyszerre legyél a fekete lyukon kívül egy halom hamuban, és belül a fekete lyukban élve és jól. Végül, de nem utolsósorban van egy harmadik fizikai törvény, amely szerint az információt nem lehet klónozni. Két helyen kell lenned, de csak egy másolatod lehet.

A fizika törvényei valahogy egy olyan következtetés felé mutatnak, amely meglehetősen képtelennek tűnik. A fizikusok ezt a dühítő rejtélyt fekete lyuk információs paradoxonnak nevezik. Szerencsére az 1990-es években megtalálták a megoldás módját.

Leonard Susskind rájött, hogy nincs paradoxon, mert egyetlen ember sem látja a klónodat. Anne csak egy másolatodat látja. Te is csak egy másolatodat látod. Te és Anne soha nem tudjátok összehasonlítani a jegyzeteiteket. És nincs olyan harmadik megfigyelő, aki egy fekete lyukon belül és kívül egyszerre látna. Tehát nem sérülnek a fizika törvényei.

A valóság attól függ, kit kérdezel

Előtte, hacsak nem követeled, hogy melyik történet igaz valójában. Tényleg halott vagy tényleg élsz?

A fekete lyukak által elénk tárt nagy titok az, hogy nincs igazán. A valóság attól függ, kit kérdezel. Van Anne valósága és van a te valóságod. Vége a történetnek.

Hát, majdnem. 2012 nyarán Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski és James Sully fizikusok, akiket együttesen AMPS néven ismerünk, egy olyan gondolatkísérletet dolgoztak ki, amely azzal fenyegetett, hogy felborít mindent, amit a fekete lyukakról tudni véltünk.

Rájöttek, hogy Susskind megoldása azon múlik, hogy minden nézeteltérést közted és Anne között az eseményhorizont közvetít. Nem számított, hogy Anne látta-e a Hawking-sugárzás között szétszóródott szerencsétlen változatodat, mert a horizont megakadályozta, hogy lássa a fekete lyuk belsejében lebegő másik változatodat.

Anne talán bepillanthatna a horizont mögé

De mi van, ha van rá mód, hogy megtudja, mi van a horizont túloldalán, anélkül, hogy ténylegesen átlépné azt?

A rendi relativitáselmélet szerint ez tilos, de a kvantummechanika kicsit homályosabbá teszi a szabályokat. Anne bepillanthatna a horizont mögé egy kis trükk segítségével, amit Einstein “kísérteties távoli cselekvésnek” nevezett.

Ez akkor történik, amikor két, térben elkülönült részecskecsoport titokzatos módon “összefonódik”. Egyetlen, oszthatatlan egész részét képezik, így a leírásukhoz szükséges információ nem önmagában egyik halmazban sem található meg, hanem a köztük lévő kísérteties kapcsolatokban.

Az AMPS ötlete valahogy így szólt. Tegyük fel, hogy Anne megragad egy kis információt a horizont közelében – nevezzük A-nak.

Minden egyes információdarab csak egyszer tud összefonódni

Ha Anne története igaz, és a fekete lyukon kívüli Hawking-sugárzás között kavarogva elvesztél, akkor A-t egy másik információdarabbal, B-vel kell összefonódnia, amely szintén a forró sugárzási felhő része.

Másrészt, ha a te történeted az igaz, és te élsz és virulsz az eseményhorizont túloldalán, akkor A-t egy másik információdarabbal, C-vel kell összefonódnia, amely valahol a fekete lyuk belsejében van.

Az a lényeg: minden információdarabot csak egyszer lehet összefonni. Ez azt jelenti, hogy A csak B-vel vagy C-vel lehet összefonódni, de mindkettővel nem.

Ez azt jelenti, hogy Anne fogja az ő bitjét, A-t, és átküldi a praktikus összefonódás-dekódoló gépén, amely kiköpi a választ: vagy B vagy C.

Átsiklasz rajta, és normális életet élsz?

Ha kiderül, hogy a válasz C, akkor a te történeted nyer, de a kvantummechanika törvényei sérülnek. Ha A összefonódik C-vel, ami a fekete lyuk mélyén van, akkor ez az információ örökre elveszik Anne számára. Ez megszegi azt a kvantumtörvényt, hogy az információ soha nem veszhet el.

Ezután marad B. Ha Anne dekódoló gépe megállapítja, hogy A összefonódott B-vel, akkor Anne nyer, és az általános relativitáselmélet veszít. Ha A összefonódott B-vel, akkor Anne története az egyetlen igaz történet, ami azt jelenti, hogy te tényleg szénné égtél. Ahelyett, hogy egyenesen áthajóztál volna a horizonton, ahogy a relativitáselmélet szerint kellene, egy égő tűzfalnak ütköztél.

Szóval ott vagyunk, ahol elkezdtük: mi történik, ha beleesel egy fekete lyukba? Egyenesen átsiklasz rajta, és normális életet élsz, hála egy olyan valóságnak, amely furcsa módon megfigyelőfüggő? Vagy közeledsz a fekete lyuk horizontjához, hogy aztán egy halálos tűzfalba ütközz?

Senki sem tudja a választ, és ez lett az egyik legvitatottabb kérdés az alapfizikában.

Anne-nek rendkívül sokáig tartana dekódolni az összefonódást

A fizikusok több mint egy évszázadon át próbálták összeegyeztetni az általános relativitáselméletet a kvantummechanikával, tudván, hogy végül az egyiknek vagy a másiknak engednie kell. A tűzfal-paradoxon megoldásának meg kell mondania, hogy melyik, és utat kell mutatnia az univerzum egy még mélyebb elmélete felé.

Az egyik nyom talán Anne dekódológépében rejlik. Annak kiderítése, hogy A melyik másik információdarabkával van összefonódva, rendkívül bonyolult probléma. Ezért Daniel Harlow, a New Jersey-i Princeton Egyetem fizikusa és Patrick Hayden, aki jelenleg a kaliforniai Stanford Egyetemen dolgozik, azon tűnődtek, hogy mennyi időbe telne.

2013-ban kiszámították, hogy még a fizika törvényei által megengedett leggyorsabb számítógép esetén is rendkívül sokáig tartana Anne-nek dekódolni az összefonódást. Mire választ kapna, a fekete lyuk már rég elpárolgott volna, eltűnne az univerzumból, és magával vinné a halálos tűzfal fenyegetését.

Ha ez így van, a probléma puszta bonyolultsága megakadályozhatja, hogy Anne valaha is rájöjjön, melyik történet az igazi. Így mindkét történet egyszerre maradna igaz, a valóság érdekes módon megfigyelőfüggő, a fizika összes törvénye sértetlen, és senkit sem fenyegetne az a veszély, hogy megmagyarázhatatlan tűzfalba ütközik.

Ha a valóság valódi természete valahol rejtve van, a legjobb hely, ahol kereshetjük, egy fekete lyuk

A fizikusoknak is ad valami új gondolkodnivalót: a komplex számítások (mint amilyenre Anne nyilvánvalóan nem képes) és a téridő közötti kínzó összefüggéseket. Ez talán megnyitja az ajtót valami még mélyebbre.

Ez a fekete lyukakkal kapcsolatos dolog. Nem csak bosszantó akadályok az űrutazók számára. Olyan elméleti laboratóriumok is, amelyek a fizika törvényeinek legapróbb furcsaságait is felfogják, majd olyan méreteket öltve felerősítik őket, hogy nem lehet figyelmen kívül hagyni őket.

Ha a valóság valódi természete valahol rejtve van, a legjobb hely, ahol kereshetjük, egy fekete lyuk. Bár valószínűleg a legjobb, ha kívülről nézzük: legalábbis addig, amíg ki nem találják ezt az egész tűzfal dolgot. Vagy küldd be Anne-t. Már rajta a sor.