Mitä tapahtuu, kun putoaa mustaan aukkoon? Varmasti kuolee – mutta kuinka? Venyykö pitkäksi spagetiksi ja tulee niellyksi hiukkanen hiukkaselta? Sylkeekö musta aukko jotain ulos ateriansa aikana? Vai onko kyse jostain aivan muusta?
Maailmankaikkeuden arvoituksellisimpiin kuuluva ilmiö on askarruttanut tutkijoita sata vuotta ja aiheuttanut tieteellisen kiistan sellaisten maineikkaiden fyysikoiden kuin Albert Einsteinin, Niels Bohrin ja Stephen Hawkingin välille.
Kysymys, mitä mustan aukon laidalla, niin sanotussa tapahtumahorisontissa, oikeastaan tapahtuu, on taas tapetilla, eikä vastausta tarvitse ehkä enää odottaa kauan muun muuassa Princetonin ja Kalifornian yliopiston fyysikoiden ansiosta.
Palomuuriteoria perustuu siihen, että kaikki mustaa aukkoa lähestyvä kohtaa energiamuurin niin sanotussa tapahtumahorisontissa.
Tutkijat ovat kyenneet rakentamaan sillan Einsteinin suhteellisuusteorian ja Hawkingin kvanttimekaniikka-ajatusten välille tarkastelemalla lähemmin madonreikien teoriaa, kuten sitä, kuinka mustassa aukossa olevat hiukkaset voivat olla lomittuneita ulkopuolella sijaitsevien hiukkasten kanssa.
Teoria perustuu edelleen niin sanottuun palomuuriteoriaan vuodelta 2012. Sen mukaan kaikki mustaa aukkoa lähestyvä kohtaa energiamuurin niin sanotussa tapahtumahorisontissa. Siinä näkymätön hiukkaskonsentraatio saa henkilön tai avaruusaluksen "palamaan poroksi". Teoriassa oli kuitenkin pahoja puutteita, ja siksi sitä on sittemmin päivitetty.
Kaiken teoriaa kaivataan
Vaikka mustaan aukkoon joutumista ei tarvitse pelätä arjessa, ajatusleikki on fyysikoille yksi tärkeimmistä, sillä mustat aukot ovat äärimmäisillä ominaisuuksillaan kahden hallitsevan fysiikan suuntauksen – suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan – kiistakapuloita. Sovittelua on tehty jo noin sata vuotta.
Fyysikot puhuvat kuitenkin paradokseista, koska kvanttimekaniikan periaatteiden ja suhteellisuusteorian noudattaminen johtaa konflikteihin.
Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mustat aukot ovat niin äärimmäisiä, että ne estävät suunnattomalla tiheydellään kaikkea, siis myös valoa, pakenemasta. Stephen Hawking ehdotti kuitenkin vuonna 1974, etteivät mustat aukot niele kaikkea, vaan ne voivat lähettää muun muassa kvanttihiukkasia. Tämä oletus hyväksytään nykyään yleisesti, ja pakenevia hiukkasia kutsutaan Hawkingin säteilyksi.
Einstein: Mikään ei pakene mustasta aukosta
Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mikään – ei siis edes valo – ei pysty pakenemaan mustasta aukosta. Musta aukko syntyy, kun kappale puristuu riittävästi kokoon. Jos esimerkiksi Maa puristetaan säteeltään 8,7 millimetriä olevaksi palloksi, siitä tulee musta aukko.
Hawking: Kvanttihiukkaset pakenevat säteilynä
Hawkingin teoria perustuu kvanttimekaniikin lakeihin. Mustan aukon tapahtumahorisontissa hiukkaset ja antihiukkaset voivat riistäytyä irti toisistaan, ja sen jälkeen toinen osa tulee vangituksi ja toinen osa vapautuu säteilynä.
Tutkijat: Madonreiät voivat yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian
Uusi palomuuriparadoksi esittää, että hiukkaset voivat hajota rikkomatta fysiikan lakeja. Kun hiukkaset irtoavat toisistaan, syntyy valtavasti energiaa – palomuuri – mustan aukon ympärille.
Entinen Hawkingin oppilas, fyysikko Don Page, osoitti aikoinaan, että mustasta aukosta pakenevan hiukkasen täytyy olla lomittunut. Toisin sanoen mustasta aukosta poistuneen Hawkingin säteilyn ja mustan aukon nielemän osan välillä on yhteys.
Einstein, joka esitti suppean suhteellisuusteorian 1905 ja yleisen suhteellisuusteorian 1915, oli ensimmäisiä keskeisiä mustien aukkojen teorian kehittäjiä. Samaan aikaan sellaiset fyysikot kuin Niels Bohr ja Erwin Schrödinger kehittivät kvanttimekaniikkaa. Molemmista teorioista tuli fysiikassa vallitsevia – kumpikin on sellainen omalla tavallaan.
Suurimpia Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian oivalluksia oli se, että planeettojen ja tähtien massa kaareuttaa aika-avaruutta kuin keilapallo, joka heitettynä ilmaan levitetyn lakanan keskelle painaa sen kuopalle. Tämä koetaan painovoimaksi.
Toisaalta kvanttimekaniikka kuvaa maailman pienimmät rakenneosaset, kuten atomiytimet, fotonit ja elektronit. Ne käyttäytyvät paljon arvoituksellisemmin kuin edes mitä luovimmin ajatteleva fyysikko saattoi kuvitella.
Edustava esimerkki on niin sanottu superpositio, joka tarkoittaa, että hiukkanen voi olla kahdessa eri tilassa yhtä aikaa. Kaksi hiukkasta voivat olla myös eräänlaisia toistensa heijastumia, vaikka niitä erottaa valtava kosminen etäisyys. Kyse on nimenomaan lomittumisesta.
Albert Einstein (vas.) esitti mustien aukkojen teoriansa vajaat 70 vuotta aiemmin kuin Stephen Hawking omansa. Kaiken teorian puuttuessa kumpaakin fysiikan teoriaa sovelletaan yhä.
Fyysikot ovat yrittäneet 1920-luvulta lähtien yhdistää suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan kvanttigravitaatioksi, joka kahden erillisen selityksen sijasta on yleispätevä. Vaikka Einstein edisti merkittävästi kvanttimekaniikan kehitystä, hän suhtautui epäluuloisesti useisiin kvanttimekaniikan ominaisuuksiin, koska ne vaikuttavat arkijärjen vastaisilta – niin kuin lomittuminen, jota Einstein piti aavemaisena.
Madonreiät ovat osaratkaisu
Mustat aukot muodostivat 1900-luvulla suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan välisen taistelun rintamalinjan. Arvoitukselliset kosmiset ilmiöt työnsivät sekä painovoiman että kvanttimekaniikan äärirajoille.
Stephen Hawkingin mustan aukon informaatioparadoksi vuodelta 1974 oli tärkeä virstanpylväs. Paradoksissa Hawking tarkastelee lomittuneita hiukkaspareja eli hiukkasia, jotka ovat fyysisestä etäisyydestään huolimatta yhteydessä toisiinsa tapahtumahorisontissa – mustan aukon pisteessä, josta ei ole paluuta.
Tapahtumahorisontin edessä ja takana olevilla kvanttimekaanisilla hiukkaspareilla on siis ”toinen jalka haudassa”. Hiukkaset riistäytyvät irti toisistaan, ja musta aukko nielaisee toisen, kun taas toinen pakenee Hawkingin säteilynä.
Kyse on paradoksista, koska kvanttimekaniikan mukaan musta aukko vähitellen ”haihtuu” ja jättää sitten paenneen lomittuneen hiukkasen itsekseen.
VIDEO: Näin singulariteetti vaikuttaa meihin mustassa aukossa
Käsitykset siitä, mitä meille tapahtuu, kun lähestymme mustaa aukkoa, vaihtelevat. Tässä selitetään Hawkingin ja Einsteinin teoriat.
Tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet saattamaan Einsteinin ja Hawkingin – ja siten suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan – lähemmäksi toisiaan. Madonreiät, jotka käsitetään eräänlaisiksi kahden kappaleen tai pisteen, kuten mustan aukon, välisiksi tunneleiksi maailmankaikkeudessa, eivät nimittäin ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Viime vuosina on saatu tukea oletukselle, että kvanttimekaniikan lomittuminen ja madonreiät voivat olla yksi ja sama ilmiö, joka on vain kuvattu kahdella eri tavalla.
Palomuuriteoria on tienviitta
Palomuuriteoria on auttanut tutkijoita pääsemään eteenpäin. Tätä mieltä on yksi palomuuriparadoksin takana olevista tutkijoista, teoreettinen fyysikko Ahmed Almheiri, joka työskentelee Princetonin yliopistossa. Se oli myös Albert Einsteinin työpaikka vuosina 1933–1955.
”Palomuuriparadoksi sanoo, että tapahtumahorisontin ulkopuolella oleva hiukkanen voi vain olla lomittunut kaukaisen (mustan aukon lähettämän, toim. huom.) säteilyn hiukkasen kanssa mutta se voi myös vain olla lomittunut kumppaninsa kanssa mustassa aukossa”, toteaa Ahmed Almheiri teoriasta, jonka hän laati yhdessä kollegoidensa kanssa vuonna 2012, ja jatkaa:
”Palomuuriparadoksi on tienviitta, joka osoittaa tietämättömyyteemme mustien aukkojen todellisesta luonteesta. Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että itse aika-avaruuden luonne – ja mikä on lähellä mitä – riippuu suuresti aika-avaruuden eri osien välisestä lomittumisesta. Tällä tavalla mustan aukon sisus on eräässä mielessä ”lähellä” sen säteilyä, joka on muutoin kaukana mustasta aukosta.”
Madonreiät ovat kaikkeuden tunneleita
Madonreikien teoria juontuu Einsteinin suhteellisuusteoriasta. Musta aukko luo tunnelin toiseen maailmankaikkeuden pisteeseen tai toiseen maailmankaikkeuteen.
Tunneli on oikopolku
Einsteinin mukaan madonreiät ovat neliulotteisen aika-avaruuden oikopolkuja, jotka yhdistävät kaksi maailmankaikkeuden pistettä toisiinsa. Vihreä nuoli tarkoittaa pitempää reittiä, jota pitkin avaruusalus kulkisi normaalisti.
Madonreiät voivat selittää lomittumisen
Kvanttimekaniikan mukaan mustat aukot voivat olla yhteydessä toisiinsa madonreikien kautta. Teoriassa on monta paradoksia, mutta se pyrkii selittämään, kuinka hiukkaset ja antihiukkaset lomittuvat ja ovat keskinäisessä suhteessa.
Miten tämä sitten vaikuttaa tapahtumaan, jossa joudutaan mustaan aukkoon ja imeydytään sen singulariteetiksi kutsuttuun keskukseen? Almheirin mukaan avaruusaluksessa matkustavaa astronauttia ei kuitenkaan polta poroksi tapahtumahorisontissa tulimuuri niin kuin alkuperäinen paradoksi ennusti.
Palomuuriparadoksin ratkaisu viittaa sen sijaan siihen, ettei ristiriitaa Einsteinin käsityksen kanssa ole. Avaruusalus ja astronautti eivät koe tulista pätsiä, eikä tapahtumahorisontin ohitus tunnu oikein miltään. Astronautti ja avaruusalus venyvät vähitellen kuin spagetiksi matkallaan kohti singulariteettia.
Nykyään tiedetään, että mustat aukot ovat todellisia kappaleita ja että niitä on maailmankaikkeudessa yllin kyllin. Todisteisiin kuuluu vuonna 2019 saatu historiallinen kuva Messier 87 -galaksin mustasta aukosta. Mustaa aukkoa ei voida nähdä, koska se imee itseensä valon kuten Einstein aikoinaan esitti.
Kahdeksan eri puolilla maapalloa toimivaa radioteleskooppia onnistui kuvaamaan ensimmäisen kerran mustan aukon. Kuva julkaistiin vuonna 2019.
Tähtitieteilijät uskovat esimerkiksi, että oman galaksimme keskustassa piilee valtava musta aukko, Sagittarius A*, joka painaa noin neljä miljoonaa kertaa niin paljon kuin Aurinko.
Ei voida olla kuitenkaan täysin varmoja siitä, että fyysikot pystyvät ennen pitkää selvittämään, palammeko, venymmekö vai hajoammeko imeytyessämme mustaan aukkoon.
”Onnistumisen mahdollisuudet ovat melko pienet. Vaikka löytäisimme mustan aukon niin läheltä, että voitaisiin tehdä kokeita, ne olisivat niin monimutkaisia, että niiden tekeminen kestäisi vähintään maailmankaikkeuden eliniän”, toteaa Ahmed Almheiri.
Artikkeli on julkaistu ensimmäisen kerran 2021.