Stephen Hawking híres elméletét két távoli fekete lyuk egyesülése következtében keletkezett téridő-fodrozódás segítségével sikerült bizonyítani.
A fekete lyukak felületére vonatkozó elméletét Hawking 1971-ben dolgozta ki. Az elmélet alapját Einstein általános relativitáselmélete nyújtja, amely kimondja, hogy a fekete lyuk felületi területe nem csökkenhet az idővel. Ez azért érdekes a fizikusok számára, mert szoros összefüggésben áll a termodinamika második törvényével, amely alapján egy zárt rendszer entrópiájának (azaz rendezetlenségének) mindig növekednie kell. Mivel a fekete lyuk entrópiája arányos a területével, mindkettőnek folyamatosan növekednie kell.
A kutatóknak sikerült megfigyelés által bizonyítaniuk a fekete lyukak területére vonatkozó törvényt, és ezzel újabb lépést tettek a világegyetem megismerése felé vezető úton. E törvény érdekessége, hogy látszólag ellentmond Hawking másik elméletének, amely szerint a fekete lyukak idővel elpárolognak. Az ellentmondás feloldása új fejezetet nyithat a fizika történetében – írja a Physical Review Letters május 26-i számára hivatkozva a livescience.com tudományos ismeretterjesztő portál.
A fekete lyukak felszínén egy eseményhorizontnak nevezett határfelület húzódik, amely mögül – az erős gravitáció következtében – még a fénynek is lehetetlen kijutni. Hawking szerint mivel a fekete lyuk felületi területe az égitest tömegével arányosan növekszik, és mivel a égitestbe zuhanó testek nem juthatnak többé az eseményhorizonton túl, a fekete lyuk felületi területe nem csökkenhet. A felület viszont a forgási sebesség növekedésével csökken, ezért a kutatók arra a kérdésre keresték a választ, hogy vajon egy nagy erővel becsapódó test fel tudja-e annyira gyorsítani a fekete lyuk forgását, hogy az a felületi területének csökkenéséhez vezessen. „Bármit is csinálsz, a tömeg és forgási sebesség változása a felület növekedéséhez vezet” – nyilatkozta a Live Science-nek Maximilliano Isi, a Massachusettsi Műegyetem (MIT) asztrofizikusa.
A kérdés megválaszolása érdekében a kutatók két óriási, egymás felé spirális pályán nagy sebességgel közeledő fekete lyuk 1,3 milliárd évvel ezelőtt keltett gravitációs hullámait vizsgálták, amelyeket a gravitációs hullámok megfigyelését végző Advanced LIGO csillagászati obszervatórium észlelt 2015-ben. A két fekete lyuk összeolvadása előtt és után keletkező jelek szétválasztását követően a kutatók kiszámították a két különálló és az összeolvadás nyomán keletkezett fekete lyuk tömegét, valamint forgási sebességét. Az így nyert értékek alapján kiszámították a két különálló, majd az egybeolvadás révén keletkezett fekete lyuk felületi területét.
Az újonnan létrejött fekete lyuk felületi területe nagyobb volt a két eredeti égitest felületének összegénél. Az eredmény több mint 95 százalékos megbízhatósági szinten igazolja Hawking törvényét, és alátámasztja a kutatók eddigi feltételezéseit.
A gondok akkor kezdődnek, amikor a nagy méretű testekre vonatkozó általános relativitáselmélet törvényeit integrálni akarjuk az apró testek jelenségeit vizsgáló kvantummechanika törvényeivel. Ezek a próbálkozások különös jelenségeket valószínűsítenek, és felrúgják a szigorúan rögzítettnek vélt szabályokat.
Bár az általános relativitáselmélet szabályai szerint a fekete lyukak területe nem csökkenhet, a kvantummechanika nem zárja ki ennek lehetőségét.
A felületi területre vonatkozó törvény mellett a kiváló angol fizikus egy másik jelenség elméleti lehetőségét is felvetette. A Hawking-sugárzás során kvantummechanikai jelenségek következtében a fekete lyuk felületéről részecskék távoznak. A folyamat a fekete lyuk felületének csökkenéséhez és, idővel, a fekete lyuk elpárolgásához vezet. Mivel az elpárolgáshoz szükséges idő többszöröse a világegyetem életkoránál, a jelenség rövid időtartam esetén nem módosítja számottevő mértékben a felületre vonatkozó törvényt. Hosszú időtartamra végzett számítások esetén viszont nem elhanyagolható, és a fizikusokat további megoldandó feladatok elé állítja.