Stephen Hawking miał rację! Jego tezę potwierdzono po 47 latach

Stephen Hawking był geniuszem, który zrobił niemałe zamieszanie w świecie fizyki i astronomii, zwłaszcza w teorii czarnych dziur. Jedna z jego tez czekała prawie pół wieku na potwierdzenie. Niestety sam naukowiec nie dożył tej chwili. Wyprzedził swoje czasy.

Czym jest czarna dziura?

Czarna dziura to dość specyficzne zjawisko. Jest to obszar czasoprzestrzeni, którego nic nie może opuścić ze względu na grawitację. Co raz wpadnie do czarnej dziury, już nigdy stamtąd nie wyjdzie. Granica bez powrotu, czyli okolica czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń.

Sama nazwa zjawiska pochodzi od tego, że pochłania ono nawet światło i niczego nie odbija ani nie emituje. Jest w astronomii tym, czy w termodynamice ciało absolutnie czarne. Pierwsze zdjęcie czarnej dziury zostało wykonane przez Teleskop Horyzontu zdarzeń 10 kwietnia 2019 roku, natomiast zdjęcie z marca 2021 roku ujawniło jej pole magnetyczne.

Teoria Hawkinga musiała czekać naprawdę długo

W związku z tym, że czarna dziura zachowa się tak samo w przypadku wszystkiego co do niej trafi, powstał paradoks informacji. Zjawisko zareaguje jednakowo na statek, jak i na światło czy pojedyncze atomy jakichś pierwiastków.

W 1974 roku, Stephen Hawking wpadł na możliwe rozwiązanie paradoksu informacji. Zwrócił on uwagę na horyzoncie zdarzeń i jego specyficznej budowie, która przecież musi zawierać jakieś informacje. 3 lata wcześniej jednak wyprowadził twierdzenie dt. powierzchni czarnych dziur, do którego jeszcze wrócimy.

Hawking założył, że czarna dziura zawsze istnieje wraz z horyzontem zdarzeń i musi emitować minimalne światło, które jest niejako nośnikiem informacji, które do niej wpadają. Co więcej – to światło mogłoby w teorii wyprowadzać obiekty z pola czarnej dziury. Nazywamy to promieniowaniem Hawkinga.

Jacob Bekenstein zwrócił uwagę na to, że jeśli promieniowanie Hawkinga rzeczywiście istnieje, to czarne dziury podlegałyby prawom termodynamiki. Krótko mówiąc – światło to fale, energia, a jeśli tak, to towarzyszy im temperatura. Tutaj dochodzimy do termodynamiki czarnych dziur, co można uważać wręcz za osobną dziedzinę fizyki.

Termodynamika czarnych dziur, a twierdzenie Hawkinga

Druga zasada termodynamiki mówi, w dużym uproszczeniu, że wszystkie zjawiska w przyrodzie (zawierające dostateczną ilość cząsteczek) przebiegają w jednym kierunku, który jest nieodwracalny. Względem tego – wszystkie występujące w przyrodzie zjawiska są nieodwracalne.

Przykładem tego są płyny – ciepła ciecz w szklance samoistnie zawsze będzie na górze, a zimna na dole – nigdy odwrotnie. Gazy również – jeśli otworzymy zawór pojemnika ze sprężonym powietrzem, ono nigdy samoistnie nie wróci do środka. Obrazowo tłumacząc - ciepła herbata samoistnie oddaje energię cieplną, ogrzewając kubek, nigdy odwrotnie.

Wytłumaczona powyżej zasada odnosi się do czarnych dziur w prosty sposób. Horyzont zdarzeń zawsze otacza czarną dziurę i ma niższą temperaturę niż czarna dziura. Nazywamy to temperaturą Hawkinga. Im większa jest czarna dziura, tym niższa jest temperatura Hawkinga.

Druga zasada termodynamiki czarnych dziur mówi, że w przypadku łączenia czarnych dziur, entropia wzrasta. Innymi słowy, jeśli dwie czarne dziury się połączą, powstała w ten sposób czarna dziura musi być większa niż dwie poprzednie. Jest to twierdzenie o powierzchni czarnych dziur, które Hawking oryginalnie ogłosił w 1971 roku i stało ono w opozycji do teorii względności Alberta Einsteina, która zakładała takie zachowanie za niemożliwe.

Twierdzenie Hawkinga w potwierdzone po 47 latach

Dopiero na tym etapie wiedzy możemy odejść od teoretyzowania i przejść do praktyki. Naukowcom udało się ostatecznie potwierdzić twierdzenie o powierzchni czarnych dziur 9 czerwca 2021 roku. Za badania odpowiadali: Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesel, Mark A. Scheel oraz Saul A. Teukolsky.

Badacze wzięli pod lupę zdarzenie astronomiczne GW150914. Jest ono pierwszą obserwacją zmarszczek czasoprzestrzeni powodowanych przez fale grawitacyjne, co potwierdziło teorię łączenia się czarnych dziur. W tym przypadku mamy do czynienia z dwoma czarnymi dziurami: pierwsza miała 29 mas Słońca, druga 36.

Dzięki nowemu sposobowi analizy fal grawitacyjnych, które powstały w zdarzeniu, udało się obliczyć powierzchnię horyzontów zdarzeń pojedynczych czarnych dziur, biorących udział w fuzji. Końcowa czarna dziura ma masę 62 mas Słońca, ale jej całkowita powierzchnia względem początkowych pojedynczych czarnych dziur się powiększyła.

Mimo tego, że wynik obliczeń ma aż 97 proc. prawdziwości, jest to wciąż za mało, by zostało uznane światowo za pewne. Przedstawione badanie jest pierwszym tego typu, które udało się przeprowadzić, lecz metodę można zastosować do sprawdzenia innych fuzji czarnych dziur, co w przyszłości może prowadzić do światowego potwierdzenia twierdzenia Hawkinga za rzeczywiste.