Hvad sker der, hvis du falder ned i et sort hul? Du vil dø, det er sikkert og vist – men hvordan? Bliver du strakt ud til en lang spaghetti og opslugt partikel for partikel? Spytter det sorte hul noget af dig ud undervejs i måltidet? Eller sker der noget helt tredje?
Et af universets mest gådefulde fænomener har optaget forskerne i et århundrede og skabt videnskabelig strid mellem verdensberømte fysikere som Albert Einstein, Niels Bohr og Stephen Hawking.
Nu har spørgsmålet om, hvad der egentlig sker ved kanten til sorte hullers indre, den såkaldte begivenhedshorisont, fået ny næring takket være fysikere fra bl.a. universiteterne Princeton og University of California, Santa Barbara.
Firewallteorien bygger på, at alt der nærmer sig et sort hul møder en mur af energi ved den såkaldte begivenhedshorisont.
Forskerne har formået at bygge bro imellem Einsteins relativitetsteori og Hawkings pointer om kvantemekanik ved at se nærmere på teorier for ormehuller. Herunder hvordan partikler indeni sorte huller kan være sammenfiltret med partikler udenfor.
Teorien bygger videre på den såkaldte firewallteori fra 2012, der forklarer, at alt, der nærmer sig et sort hul, møder en mur af energi ved den såkaldte begivenhedshorisont. Her vil en usynlig koncentration af partikler få personen eller rumskibet til "at brænde op" og forkulle til aske. Men den teori havde store mangler, og derfor har forskerne nu opdateret den.
Vi mangler en teori om alting
At rejse ind i et sort hul virker fjernt fra vores hverdag, men tankeeksperimentet er et af fysikernes allervigtigste, fordi sorte huller pga. deres ekstreme væsen udgør selve kampzonen mellem de to dominerende strømninger i fysikken – relativitetsteorien og kvantemekanikken. Dem har fysikerne kæmpet for at forene i omkring 100 år.
Fysikerne taler netop om paradokser, for der er masser af konflikter mellem både at overholde kvantemekanikkens principper og relativitetsteorien.
Albert Einsteins relativitetsteori forklarer, at sorte huller er så ekstreme, at de pga. deres uendelig høje massetæthed ikke lader noget undslippe, heller ikke lys. Men i 1974 foreslog Stephen Hawking, at sorte huller ikke æder alt, de udsender bl.a. kvantepartikler. Den teori er i dag bredt anerkendt, og partiklerne, der undslipper, blev døbt hawkingstråling.
Einstein: Intet undslipper det sorte hul
I Einsteins relativitetsteori undslipper intet – heller ikke lys – et sort hul. Et sort hul opstår, når en genstand bliver presset nok sammen. Hvis Jorden fx blev presset til en kugle med en radius på 8,7 mm, ville Jorden blive til et sort hul.
Hawking: Kvantepartikler undslipper som stråling
Hawkings teori er baseret på kvantemekanikkens love. Ved det sorte huls begivenhedshorisont kan partikler og antipartikler blive revet fra hinanden, hvorefter den ene del opsluges, og den anden frigives som stråling.
Forskere: Ormehuller kan forene kvantemekanikken og relativitetsteorien
Et nyt paradoks, firewall-paradokset, siger, at partikler kan splittes ved begivenhedshorisonten, uden at fysikkens love også bliver det. Når partiklerne bliver flået fra hinanden, dannes der enorme mængder energi, en firewall, omkring det sorte hul.
En af Hawkings egne studerende, fysikeren Don Page, viste i sin tid, at partiklen på vej væk fra det sorte hul nødvendigvis må være sammenfiltret, såkaldt entanglement. Der er altså en forbindelse imellem den hawkingstråling, der har forladt det sorte hul, og den del, der er blevet opslugt af det sorte hul.
Einstein skabte den specielle og den generelle relativitetsteori i 1905 og 1915 og er en af de tidlige hovedpersoner i teorien om sorte huller. Parallelt udviklede fysikere som Niels Bohr og Erwin Schrödinger kvantemekanikken. De to teorier kom til at dominere fysikken, men på hver deres måde.
En af Einsteins store indsigter med den generelle relativitetsteori var, at planeter og stjerners masse afbøjer rum-tiden som en bowlingkugle, der lægges på et udstrakt lagen og tynger det ned i midten. Det er det, vi oplever som tyngdekraft.
I den modsatte ende beskriver kvantemekanikken de mindste bestanddele i verden, fx atomkerner, fotoner og elektroner. De opfører sig langt mere mystisk, end selv den mest kreativt tænkende fysiker kunne forestille sig.
Et eksempel er den såkaldte superposition, hvor partikler er to forskellige steder på samme tid. To partikler kan også være en slags spejlinger af hinanden, selvom de er fysisk adskilt af enorme kosmiske afstande – altså netop entanglement eller sammenfiltring.
Albert Einstein (tv.) og Stephen Hawking har med knap 70 års mellemrum lanceret hver deres teorier om sorte huller. I manglen på en “teori om alting” bliver begge teoretiske fysikeres teorier stadig brugt den dag i dag.
Siden 1920’erne har fysikerne kæmpet med at samle relativitetsteorien og teorien om kvantemekanik i én teori om kvantegravitation, der favner alt, i stedet for to adskilte teorier, der virker hver for sig. Selvom Einstein bidrog betydeligt til udviklingen af kvantemekanikken, var han alligevel skeptisk over for flere af kvantemekanikkens egenskaber, der da heller ikke virker logiske set med vores hverdagsbriller – bl.a. sammenfiltring, som han kaldte “spøgelsesagtig”.
Ormehuller del af løsningen
I løbet af det 20. århundrede udgør sorte huller selve frontlinjen mellem relativitetsteorien og kvantemekanikken. De mystiske kosmiske fænomener presser både tyngdekraften og kvantemekanikken til det yderste.
Her blev Stephen Hawkings black hole information paradox fra 1974 en vigtig milepæl. I paradokset undersøger Hawking sammenfiltrede “partikelpar”, dvs. partikler, der altså trods fysisk afstand stadig har forbindelse til hinanden, ved et sort huls point of no return også kendt som begivenhedshorisonten.
De kvantemekaniske partikelpar står altså med “et ben” på hver side af selve begivenhedshorisonten. De to partikler vil blive revet fra hinanden – og den ene opslugt af det sorte hul, mens den anden undslipper som såkaldt hawkingstråling.
Deraf paradokset, fordi det sorte hul med tiden ifølge kvantemekanikken “fordamper” og dermed efterlader den undslupne partikel i kvantemekanisk sammenfiltring med – ingenting.
VIDEO: Få forklaret, hvad singularitet gør ved os i et sort hul
Teorierne om, hvad der sker, når vi nærmer os et sort hul, er forskellige. Få Hawkings og Einsteins teorier forklaret her.
Men det er lykkedes forskerne at bringe Einstein og Hawking – og dermed relativitetsteorien og kvantemekanikken – nærmere hinanden. Ormehuller, som kan anses for at være en slags tunneller mellem to genstande i universet – fx sorte huller – er nemlig ikke i strid med relativitetsteorien. Og forskerne har de senere år fundet ud af, at kvantemekanikkens sammenfiltring og ormehuller kan være ét og samme fænomen, men blot beskrevet med to forskellige teorier.
Firewallteori er et vejskilt
Firewallteorien har tilsvarende kunnet hjælpe forskerne videre. Det mener den teoretiske fysiker Ahmed Almheiri, der er en af forskerne bag firewall-paradokset og har sin daglige gang ved Princeton Institute for Advanced Study, hvor også Albert Einstein forskede i årene 1933-55.
“Firewall-paradokset siger, at en partikel på ydersiden af begivenhedshorisonten kun kan være sammenfiltret med en partikel langt væk i strålingen (fra det sorte hul, red.), men også kun kan være sammenfiltret med sin partner inde i det sorte hul,” siger Ahmed Almheiri om teorien, som han formulerede sammen med kolleger i 2012 og tilføjer:
“Firewall-paradokset er et vejskilt, der peger i retning af vores uvidenhed om sorte hullers sande natur. Vores nyeste forskning tyder på, at selve rum-tidens natur – og hvad der er tæt på hvad – i høj grad er afhængig af sammenfiltringen mellem forskellige dele af rum-tiden. På den måde er det sorte huls indre i en forstand “tæt” på den stråling, som ellers er langt væk fra det sorte hul,” siger Ahmed Almheiri.
Ormehuller er universets tunneller
Ud af Einsteins relativitetsteori kommer teorien om ormehuller – et sort hul, der skaber en tunnel til et andet sted i universet eller et helt andet univers.
Tunnel skaber genvej
Ifølge Einstein er ormehuller genveje igennem den firedimensionelle rum-tid, som forbinder to adskilte områder af universet med en genvej. Den grønne pil illustrerer den noget længere vej, et rumskib normalt ville skulle rejse igennem rummet.
Ormehuller kan forklare sammenfiltring
Ifølge kvantemekanikken kan sorte huller være forbundne igennem ormehuller. Teorien har flere paradokser, men søger at forklare, hvordan partikler og antipartikler stadig kan være sammenfiltrede og dermed forbundne.
Så hvad betyder det for oplevelsen af at rejse ind i et sort hul og hele vejen ind til dets kerne kaldet singulariteten? En astronaut ombord på et rumskib bliver alligevel ikke brændt i stykker af en mur af ild ved begivenhedshorisonten, som paradokset oprindeligt forudsagde, forklarer Almheiri.
Løsningen af firewall-paradokset peger til gengæld på, at der ikke er nogen konflikt med Einsteins opfattelse. I stedet for et glohedt endeligt vil rumskibet og astronauten ikke bemærke noget særligt, før begivenhedshorisonten passeres, og han og rumskibet langsomt bliver strakt ud som en spaghetti på vej mod singulariteten.
I dag ved vi, at sorte huller er virkelige objekter, og at det sandsynligvis myldrer med dem i universet. Det blev bl.a. bekræftet med et historisk billede fra 2019 af et sort hul i galaksen Messier 87. Det sorte hul kan ikke ses, fordi det opsluger lyset, ligesom Einstein forudsagde.
Med otte radioteleskoper placeret forskellige steder på kloden lykkedes det forskere at tage det første billede af et sort hul. Billedet blev offentliggjort i 2019.
I centrum af vores egen galakse mener astronomerne fx, at der gemmer sig et gigantisk sort hul kaldet Sagittarius A*, som vejer omkring 4 millioner gange så meget som Solen.
Hvorvidt fysikerne med tiden vil kunne påvise, om vi bliver brændt, strakt eller splittet ad, når vi suges ind i et sort hul, er dog stadig usikkert.
“Det er nok lidt af et long shot. Selvom vi finder et sort hul, der er tæt nok på os til at udføre eksperimenter på, vil de være så komplekse, at det vil tage mindst universets levetid at føre dem ud i livet,” siger Ahmed Almheiri.
Artiklen blev udgivet første gang i 2021.