Teraz dwóch matematyków udowodniło, że Hawking i jego koledzy się mylili. Nowe dzieło – zawarte w para najnowsze gazety przez Christopha Kehle Massachusetts Institute of Technology i Ryana Ungera Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley – pokazuje, że w naszych znanych prawach fizyki nie ma nic, co mogłoby zapobiec powstaniu ekstremalnej czarnej dziury.
Ich dowód matematyczny jest „piękny, innowacyjny technicznie i zaskakujący fizycznie” – stwierdził Mihalisa Dafermosamatematyk na Uniwersytecie Princeton (oraz promotor Kehle’a i Ungera). Wskazuje na potencjalnie bogatszy i bardziej zróżnicowany wszechświat, w którym „ekstremalne czarne dziury mogą występować astrofizycznie” – dodał.
To nie znaczy, że takie są. „To, że istnieje rozwiązanie matematyczne o dobrych właściwościach, nie musi koniecznie oznaczać, że natura z niego skorzysta” – stwierdziła Khanna. „Ale jeśli w jakiś sposób go znajdziemy, to naprawdę tak będzie [make] pomyślmy o tym, czego nam brakuje.” Zauważył, że takie odkrycie może postawić „całkiem radykalne pytania”.
Prawo niemożliwości
Przed dowodem Kehle’a i Ungera istniał dobry powód, aby sądzić, że ekstremalne czarne dziury nie mogą istnieć.
W 1973 roku Bardeen, Carter i Hawking wprowadzili cztery prawa dotyczące zachowania czarnych dziur. Przypominały cztery dawno ustalone prawa termodynamiki — zbiór świętych zasad, które na przykład stwierdzają, że z biegiem czasu wszechświat staje się coraz bardziej nieuporządkowany i że energii nie można stworzyć ani zniszczyć.
W swoim artykule fizycy udowodnili swoje pierwsze trzy zasady termodynamiki czarnych dziur: zero, pierwszą i drugą. W konsekwencji założyli, że trzecie prawo (podobnie jak jego standardowy odpowiednik w termodynamice) również będzie prawdziwe, mimo że nie byli jeszcze w stanie tego udowodnić.
Prawo to stanowiło, że grawitacja powierzchniowa czarnej dziury nie może spaść do zera w skończonym czasie – innymi słowy, nie ma możliwości stworzenia ekstremalnej czarnej dziury. Na poparcie swojego twierdzenia trio argumentowało, że każdy proces, który pozwoliłby ładunekowi lub spinowi czarnej dziury osiągnąć ekstremalną granicę, mógłby również potencjalnie skutkować całkowitym zniknięciem jej horyzontu zdarzeń. Powszechnie uważa się, że czarne dziury bez horyzontu zdarzeń, zwane nagimi osobliwościami, nie mogą istnieć. Co więcej, ponieważ wiadomo, że temperatura czarnej dziury jest proporcjonalna do jej grawitacji powierzchniowej, czarna dziura pozbawiona grawitacji powierzchniowej również nie miałaby temperatury. Taka czarna dziura nie emitowałaby promieniowania cieplnego – coś, co według Hawkinga musiało zrobić później czarne dziury.
W 1986 roku fizyk Werner Israel zdawał się położyć kres tej kwestii, kiedy opublikował dowód trzeciego prawa. Załóżmy, że chcesz stworzyć ekstremalną czarną dziurę ze zwykłej. Możesz spróbować to zrobić, przyspieszając wirowanie lub dodając więcej naładowanych cząstek. Dowód Izraela zdawał się wykazywać, że takie postępowanie nie mogłoby spowodować, że grawitacja powierzchniowa czarnej dziury spadnie do zera w skończonym czasie.
Jak ostatecznie odkryli Kehle i Unger, w argumentacji Izraela kryła się luka.
Śmierć Trzeciego Prawa
Kehle i Unger nie zamierzali szukać ekstremalnych czarnych dziur. Natknęli się na nie zupełnie przez przypadek.
Badali powstawanie naładowanych elektrycznie czarnych dziur. „Uświadomiliśmy sobie, że możemy tego dokonać” – stworzyć czarną dziurę – „przy każdym stosunku ładunku do masy” – powiedział Kehle. Dotyczyło to również przypadku, gdy ładunek jest tak wysoki, jak to możliwe, co jest cechą charakterystyczną ekstremalnej czarnej dziury.
Dafermos zauważył, że jego byli uczniowie odkryli kontrprzykład dla trzeciego prawa Bardeena, Cartera i Hawkinga: pokazali, że rzeczywiście mogą zamienić typową czarną dziurę w ekstremalną w skończonym czasie.
Kehle i Unger rozpoczęli od czarnej dziury, która się nie obraca i nie ma ładunku, i stworzyli model, co może się wydarzyć, jeśli zostanie umieszczona w uproszczonym środowisku zwanym polem skalarnym, które zakłada, że tło stanowią równomiernie naładowane cząstki. Następnie uderzyli w czarną dziurę impulsami z pola, aby dodać do niej ładunek.
