Een recent artikel van Stephen Hawking heeft nogal wat opschudding veroorzaakt en heeft er zelfs toe geleid dat Nature News verklaart dat er geen zwarte gaten zijn. Zoals ik in een eerder bericht schreef, is dat niet helemaal wat Hawking beweerde. Maar het is nu duidelijk dat Hawking's bewering over zwarte gaten onjuist is, omdat de paradox die hij probeert aan te pakken toch geen paradox is.
Het komt allemaal neer op wat bekend staat als de firewall-paradox voor zwarte gaten. Het centrale kenmerk van een zwart gat is de horizon van het evenement. De gebeurtenishorizon van een zwart gat is in feite het punt waar geen terugkeer meer mogelijk is wanneer het een zwart gat nadert. In Einsteins algemene relativiteitstheorie is de gebeurtenishorizon waar ruimte en tijd zo vervormd zijn door zwaartekracht dat je nooit kunt ontsnappen. Steek de horizon van het evenement over en je zit voor altijd vast.
Deze eenrichtingskarakter van een gebeurtenishorizon is lange tijd een uitdaging geweest om de gravitatiefysica te begrijpen. Een horizon met een zwart gat lijkt bijvoorbeeld in strijd met de wetten van de thermodynamica. Een van de principes van thermodynamica is dat niets een temperatuur van absoluut nul mag hebben. Zelfs zeer koude dingen stralen een beetje warmte uit, maar als een zwart gat licht opslaat, geeft het geen warmte af. Dus een zwart gat zou een temperatuur van nul hebben, wat niet mogelijk zou moeten zijn.
Vervolgens toonde Stephen Hawking in 1974 aan dat zwarte gaten licht uitstralen vanwege de kwantummechanica. In de kwantumtheorie zijn er grenzen aan wat bekend kan zijn over een object. U kunt bijvoorbeeld de exacte energie van een object niet weten. Door deze onzekerheid kan de energie van een systeem spontaan fluctueren, zolang het gemiddelde constant blijft. Wat Hawking aantoonde, is dat nabij de gebeurtenishorizon van een zwart gat paren van deeltjes kunnen verschijnen, waarbij een deeltje vast komt te zitten binnen de gebeurtenishorizon (waardoor de massa van de zwarte gaten enigszins wordt verminderd) terwijl het andere kan ontsnappen als straling (waardoor een deel van de de energie van het zwarte gat).
Terwijl Hawking-straling één probleem met zwarte gaten oploste, creëerde het een ander probleem dat bekend staat als de firewall-paradox. Wanneer kwantumdeeltjes in paren verschijnen, zijn ze verstrengeld, wat betekent dat ze op een kwantummanier zijn verbonden. Als een deeltje door het zwarte gat wordt gevangen en het andere ontsnapt, wordt de verstrengelde aard van het paar verbroken. In de kwantummechanica zouden we zeggen dat het deeltjespaar in een zuivere toestand verschijnt en dat de horizon van de gebeurtenis die toestand lijkt te doorbreken.
Vorig jaar werd aangetoond dat als Hawking-straling in een zuivere staat verkeert, het niet kan uitstralen op de manier die vereist is door de thermodynamica, of dat het een firewall van hoogenergetische deeltjes zou creëren nabij het oppervlak van de gebeurtenishorizon. Dit wordt vaak de firewallparadox genoemd, omdat je volgens de algemene relativiteitstoestand niets ongewoons hoeft op te merken als je je in de buurt van de horizon van een zwart gat bevindt. Het fundamentele idee van algemene relativiteit (het gelijkwaardigheidsbeginsel) vereist dat als je vrij naar de horizon van de gebeurtenis valt, er geen woedende firewall van hoogenergetische deeltjes mag zijn. In zijn paper stelde Hawking een oplossing voor deze paradox voor door te stellen dat zwarte gaten geen horizon hebben. In plaats daarvan hebben ze duidelijke horizonten waarvoor geen firewall nodig is om de thermodynamica te gehoorzamen. Vandaar de verklaring van 'geen zwarte gaten meer' in de populaire pers.
Maar de firewall-paradox ontstaat alleen als Hawking-straling in zuivere staat verkeert, en een paper van Sabine Hossenfelder vorige maand laat zien dat Hawking-straling niet in pure staat is. In haar paper laat Hossenfelder zien dat Hawking-straling niet te wijten is aan een paar verstrengelde deeltjes, maar aan twee paar verstrengelde deeltjes. Het ene verstrengelde paar raakt gevangen door het zwarte gat, terwijl het andere verstrengelde paar ontsnapt. Het proces is vergelijkbaar met het oorspronkelijke voorstel van Hawking, maar de Hawking-deeltjes verkeren niet in pure staat.
Er is dus geen paradox. Zwarte gaten kunnen uitstralen op een manier die overeenkomt met thermodynamica, en het gebied nabij de horizon van het evenement heeft geen firewall, net zoals algemene relativiteit vereist. Het voorstel van Hawking is dus een oplossing voor een probleem dat niet bestaat.
Wat ik hier heb gepresenteerd, is een heel ruw overzicht van de situatie. Ik heb enkele van de meer subtiele aspecten verdoezeld. Voor een meer gedetailleerd (en opmerkelijk duidelijk) overzicht, bekijk Ethan Seigel's post op zijn blog Starts With a Bang! Bekijk ook het bericht op Sabine Hossenfelder's blog, Back Reaction, waar ze zelf over het probleem praat.
