Det märkliga ödet för en person som föll ner i ett svart hål

Detta var den mest lästa artikeln på BBC Earth under 2015. Här är ytterligare en chans att läsa den.

Det kan hända vem som helst. Kanske är du ute och försöker hitta en ny beboelig planet för mänskligheten, eller så är du bara ute på en lång promenad och halkar. Oavsett omständigheterna ställs vi alla någon gång inför den urgamla frågan: Vad händer när man faller ner i ett svart hål?

Du kanske förväntar dig att bli krossad, eller kanske sliten i bitar. Men verkligheten är konstigare än så.

I samma ögonblick som du går in i det svarta hålet skulle verkligheten delas i två delar. I den ena skulle du omedelbart förbrännas, och i den andra skulle du störta vidare in i det svarta hålet helt oskadd.

Ett svart hål är en plats där fysikens lagar som vi känner till dem bryts samman. Einstein lärde oss att gravitationen förvränger själva rymden och får den att kröka. Med ett tillräckligt tätt objekt kan rumtiden bli så förvrängd att den vrider sig in i sig själv och gräver upp ett hål i verklighetens väv.

En massiv stjärna som har fått slut på bränsle kan producera den typ av extrem täthet som krävs för att skapa en sådan stympad del av världen. När den böjer sig under sin egen tyngd och kollapsar inåt, så faller rymdtiden ihop med den. Gravitationsfältet blir så starkt att inte ens ljuset kan fly, vilket gör området där stjärnan tidigare fanns djupt mörkt: ett svart hål.

När man går djupare in i det svarta hålet blir rymden alltmer krökt

Hålets yttersta gräns är dess händelsehorisont, den punkt där gravitationskraften exakt motverkar ljusets ansträngningar att undkomma den. Närmare än så kan man inte komma undan.

Händelsehorisonten brinner av energi. Kvantmekaniska effekter i kanten skapar strömmar av heta partiklar som strålar tillbaka ut i universum. Detta kallas Hawkingstrålning, efter fysikern Stephen Hawking som förutspådde det. Om man får tillräckligt med tid kommer det svarta hålet att stråla bort sin massa och försvinna.

När man går djupare in i det svarta hålet blir rymden alltmer krökt tills den i centrum blir oändligt krökt. Detta är singulariteten. Rymd och tid upphör att vara meningsfulla idéer, och fysikens lagar som vi känner till dem – som alla kräver rymd och tid – gäller inte längre.

Vad som händer här är det ingen som vet. Ett annat universum? Oblivion? Baksidan av en bokhylla? Det är ett mysterium.

Så vad händer om du råkar falla in i en av dessa kosmiska avvikelser? Låt oss börja med att fråga din rymdkompis – vi kallar henne Anne – som med fasa ser på när du störtar ner mot det svarta hålet, medan hon stannar säkert utanför. Från den plats där hon svävar kommer saker och ting att bli konstiga.

När du accelererar mot händelsehorisonten ser Anne hur du sträcker dig och vrider dig, som om hon betraktade dig genom ett gigantiskt förstoringsglas. Dessutom, ju närmare du kommer horisonten desto mer verkar du röra dig i slow motion.

Innan du ens har passerat över till det svarta hålets mörker är du reducerad till aska

Du kan inte ropa till henne, eftersom det inte finns någon luft i rymden, men du kanske kan prova att blinka ett morsebudskap till henne med ljuset på din iPhone (det finns en app för det). Dina ord når henne dock allt långsammare, eftersom ljusvågorna sträcker sig till allt lägre och rödare frekvenser: ”Okej, a l r i g h t, a l r i…”

När du når horisonten ser Anne att du stelnar, som om någon har tryckt på pausknappen. Du förblir gipsad där, orörlig, utsträckt över horisontens yta medan en växande värme börjar uppsluka dig.

Enligt Anne utplånas du långsamt av rymdens sträckning, tidens stopp och Hawkingstrålningens eldar. Innan du någonsin har passerat över till det svarta hålets mörker är du reducerad till aska.

Men innan vi planerar din begravning, låt oss glömma Anne och betrakta den här hemska scenen ur din synvinkel. Nu händer något ännu märkligare: ingenting.

Du seglar rakt in i naturens mest olycksbådande destination utan så mycket som en stöt eller ett ryck – och definitivt ingen sträckning, fördröjning eller skållande strålning. Det beror på att du befinner dig i fritt fall och därför känner du ingen gravitation: något som Einstein kallade sin ”lyckligaste tanke”.

I ett tillräckligt stort svart hål skulle du kunna leva resten av livet ganska normalt

Evenemangshorisonten är trots allt inte som en tegelvägg som svävar i rummet. Det är en artefakt av perspektivet. En observatör som befinner sig utanför det svarta hålet kan inte se igenom det, men det är inte ditt problem. Vad dig beträffar finns det ingen horisont.

Säkerligen skulle du ha ett problem om det svarta hålet var mindre. Gravitationskraften skulle vara mycket starkare vid dina fötter än vid ditt huvud och sträcka ut dig som en spaghettibit. Men som tur är är detta ett stort hål, miljontals gånger mer massivt än vår sol, så de krafter som skulle kunna spaghettitera dig är tillräckligt svaga för att ignoreras.

I själva verket skulle du i ett tillräckligt stort svart hål kunna leva resten av ditt liv ganska normalt innan du dör vid singulariteten.

Hur normalt kan det egentligen vara, kan man undra, med tanke på att du sugs mot en spricka i rum-tidskontinuumet, dras med mot din vilja, utan möjlighet att gå tillbaka åt andra hållet?

Du kan inte vända om och undkomma det svarta hålet

Men när man tänker efter känner vi alla till den känslan, inte från vår erfarenhet av rymden utan av tiden. Tiden går bara framåt, aldrig bakåt, och den drar med oss mot vår vilja och hindrar oss från att vända om.

Detta är inte bara en analogi. Svarta hål förvränger rum och tid på ett så extremt sätt att innanför det svarta hålets horisont byter rum och tid faktiskt roller. På sätt och vis är det verkligen tiden som drar in dig mot singulariteten. Du kan inte vända dig om och fly från det svarta hålet, lika lite som du kan vända dig om och resa tillbaka till det förflutna.

I det här läget kanske du vill stanna upp och ställa en angelägen fråga till dig själv: Vad i helvete är det för fel på Anne? Om du ligger och slappnar av inne i det svarta hålet, omgiven av inget konstigare än tom rymd, varför insisterar hon då på att du har blivit bränd till en krispig kropp av strålning utanför horisonten? Hallucinerar hon?

Egentligen är Anne helt förnuftig. Ur hennes synvinkel har du verkligen blivit bränd till en krispig kula vid horisonten. Det är inte en illusion. Hon skulle till och med kunna samla din aska och skicka tillbaka den till dina nära och kära.

I själva verket kräver naturlagarna att du förblir utanför det svarta hålet sett från Annes perspektiv. Det beror på att kvantfysiken kräver att information aldrig kan gå förlorad. Varje bit information som förklarar din existens måste stanna utanför horisonten, så att Annes fysikaliska lagar inte bryts.

Du måste befinna dig på två ställen, men det kan bara finnas en kopia av dig

Å andra sidan kräver fysikens lagar också att du seglar genom horisonten utan att stöta på heta partiklar eller något annat utöver det vanliga. Annars skulle du bryta mot Einsteins lyckligaste tanke och hans allmänna relativitetsteori.

Fysikens lagar kräver alltså att du både befinner dig utanför det svarta hålet i en hög med aska och inne i det svarta hålet levande och välmående. Sist men inte minst finns det en tredje fysikalisk lag som säger att information inte kan klonas. Du måste befinna dig på två ställen, men det kan bara finnas en kopia av dig.

På något sätt pekar fysikens lagar oss mot en slutsats som verkar ganska nonsensartad. Fysikerna kallar denna irriterande gåta för informationsparadoxen för svarta hål. Lyckligtvis hittade de på 1990-talet ett sätt att lösa det.

Leonard Susskind insåg att det inte finns någon paradox, eftersom ingen person någonsin ser din klon. Anne ser bara en kopia av dig. Du ser bara en kopia av dig. Du och Anne kan aldrig jämföra anteckningar. Och det finns ingen tredje observatör som kan se både inuti och utanför ett svart hål samtidigt. Så inga fysikaliska lagar bryts.

Verkligheten beror på vem du frågar

Om du inte kräver att få veta vilken berättelse som verkligen är sann. Är du verkligen död eller lever du verkligen?

Den stora hemlighet som svarta hål har avslöjat för oss är att det inte finns något riktigt. Verkligheten beror på vem du frågar. Det finns Annes verklighet och det finns din verklighet. Slut på historien.

Nja, nästan. Sommaren 2012 utarbetade fysikerna Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski och James Sully, kollektivt kända som AMPS, ett tankeexperiment som hotade att omkullkasta allt vi trodde att vi visste om svarta hål.

De insåg att Susskinds lösning hängde på det faktum att alla meningsskiljaktigheter mellan dig och Anne förmedlas av händelsehorisonten. Det spelade ingen roll om Anne såg den olyckliga versionen av dig spridd bland Hawkingstrålningen, eftersom horisonten hindrade henne från att se den andra versionen av dig som flyter med inne i det svarta hålet.

Anne skulle kunna ta en titt bakom horisonten

Men vad händer om det fanns ett sätt för henne att ta reda på vad som fanns på andra sidan horisonten, utan att faktiskt korsa den?

Den ordinära relativitetsteorin skulle säga att det är ett nej, men kvantmekaniken gör reglerna lite mer luddiga. Anne skulle kunna ta en titt bakom horisonten med hjälp av ett litet trick som Einstein kallade ”spooky action-at-a-distance”.

Detta händer när två uppsättningar partiklar som är åtskilda i rymden på ett mystiskt sätt blir ”sammanflätade”. De är en del av en enda, odelbar helhet, så att den information som behövs för att beskriva dem inte kan hittas i någon av dem, utan i de spöklika kopplingarna mellan dem.

Amps-idén gick ungefär så här. Låt oss säga att Anne tar tag i en bit information nära horisonten – kalla den A.

Varje informationsbit kan bara sammanflätas en gång

Om hennes berättelse stämmer, och du är en dödsdömd, förvirrad bland Hawking-strålningen utanför det svarta hålet, måste A vara sammanflätat med en annan informationsbit, B, som också är en del av det heta molnet av strålning.

Omvänt, om din berättelse är sann och du lever och mår bra på andra sidan händelsehorisonten, måste A vara sammanflätad med en annan informationsbit, C, som befinner sig någonstans inne i det svarta hålet.

Här kommer kicken: varje informationsbit kan bara vara sammanflätad en gång. Det betyder att A bara kan vara sammanflätad med B eller C, inte med båda.

Så Anne tar sin bit, A, och skickar den genom sin behändiga avkodningsmaskin, som spottar ut ett svar: antingen B eller C.

Glider du rakt igenom och lever ett normalt liv?

Om svaret visar sig vara C vinner din berättelse, men kvantmekanikens lagar bryts. Om A är sammanflätad med C, som befinner sig djupt inne i det svarta hålet, är den informationen för alltid förlorad för Anne. Det bryter mot kvantlagen om att information aldrig kan gå förlorad.

Det lämnar kvar B. Om Annes avkodningsmaskin finner att A är sammanflätad med B, vinner Anne och den allmänna relativitetsteorin förlorar. Om A är sammanflätad med B är Annes berättelse den enda sanna berättelsen, vilket innebär att du verkligen blev bränd till en krispig smäll. Istället för att segla rakt genom horisonten, som relativitetsteorin säger att du borde göra, träffade du en brinnande brandvägg.

Så är vi tillbaka där vi började: vad händer när du faller in i ett svart hål? Glider man rakt igenom och lever ett normalt liv, tack vare en verklighet som är märkligt observatörsberoende? Eller närmar du dig det svarta hålets horisont bara för att kollidera med en dödlig brandvägg?

Ingen vet svaret, och det har blivit en av de mest omstridda frågorna inom den grundläggande fysiken.

Det skulle ta Anne en utomordentligt lång tid att avkoda förvirringen

Fysiker har ägnat mer än ett sekel åt att försöka förena den allmänna relativitetsteorin med kvantmekaniken, med vetskapen om att till slut måste det ena eller det andra ge upp. Lösningen på brandväggsparadoxen bör visa oss vilket och visa vägen till en ännu djupare teori om universum.

En ledtråd kan finnas i Annes avkodningsmaskin. Att ta reda på vilken annan bit information A är sammanflätad med är ett utomordentligt komplicerat problem. Så fysikerna Daniel Harlow vid Princeton University i New Jersey och Patrick Hayden, nu vid Stanford University i Kalifornien, undrade hur lång tid det skulle ta.

2013 räknade de ut att även med den snabbaste dator som fysikens lagar tillåter, skulle det ta Anne ovanligt lång tid att avkoda sammanflätningen. När hon hade ett svar skulle det svarta hålet sedan länge ha avdunstat, försvunnit från universum och tagit med sig hotet om en dödlig brandvägg.

Om så är fallet skulle problemets komplexitet kunna hindra Anne från att någonsin ta reda på vilken historia som är den riktiga. Då skulle båda historierna vara sanna samtidigt, verkligheten skulle vara fascinerande observatörsberoende, alla fysikaliska lagar skulle vara intakta och ingen skulle riskera att springa in i en oförklarlig brandvägg.

Om verklighetens sanna natur ligger gömd någonstans är det bästa stället att leta på ett svart hål

Det ger också fysikerna något nytt att fundera över: de lockande kopplingarna mellan komplexa beräkningar (som den som Anne uppenbarligen inte kan göra) och rumtid. Detta kan öppna dörren till något ännu djupare.

Det är det som är grejen med svarta hål. De är inte bara irriterande hinder för rymdresenärer. De är också teoretiska laboratorier som tar de mest subtila nycker i fysikens lagar och sedan förstärker dem till sådana proportioner att de inte kan ignoreras.

Om verklighetens sanna natur ligger gömd någonstans är det bästa stället att leta på ett svart hål. Det är förmodligen bäst att titta utifrån, dock: åtminstone tills de kommer på hela den här brandväggsgrejen. Eller skicka in Anne. Det är redan hennes tur.