En av vårt århundrades mest fantastiska teoretiska upptäckter är utan tvivel de s.k. svarta hålen. Men trots att teorin för svarta hål baserar sig på Albert Einsteins gravitationsteori (1915), betraktade Einstein de ”singulära” lösningarna (där rumtiden har oändlig ”krökning” i en punkt) till hans fältekvationer som enbart matematiska kuriositeter utan fysikalisk relevans.

Faktiskt dröjde det ända till 1967 innan John Archibald Wheeler , tidigare skeptiker visavi ”singulariteternas” fysikaliska relevans, gav de ”svarta hålen” sitt nuvarande namn (black hole, schwarze Löcher, trou noir, musta aukko, chernaja dura, o.s.v. – de pryda fransmännen lär ha dröjt med att ta i bruk benämningen p.g.a. några egendomliga associationer). Åren 1964-1975 brukar betecknas som den teoretiska svartahålforskningens gyllene tidsålder. Astrofysikerna blev också alltmer intresserade av de svarta hålen, eftersom de föreföll vara de enda objekten som kunde förklara de enormt energi-intensiva processer som upptäckts i rymden; t.ex. kvasarernas strålning (ett objekt av en stjärnas storlek som utstrålar lika mycket energi som en hel galax).

Under loppet av ett halvt sekel har de svarta hålen förvandlats från en matematisk kuriositet till astrofysikernas vardagsmat. Den spännande historien om utforskningen av de svarta hålen, och hur dessa småningom accepterades av fysikerna och astronomerna, berättas briljant av en av gravitationsforskningens stora personligheter, Kip S. Thorne, i hans populärvetenskapliga bok Black Holes & Time Warps (1994). Det kan genast sägas, att för svartahål-freaken ger dessa 600 faktaspäckade sidor rena frossan av välbehag !

Stjärnornas slutstadium

Astrofysikens grand old man, S. Chandrasekhar, inleder sin omfattande monografi The Mathematical Theory of Black Holes (1983) med orden:

”Naturens svarta hål är de mest perfekta makroskopiska objekt som finns i universum … de är samtidigt de enklaste objekten”.

En intressant sak är att Chandrasekhar ingenstans i sin bok anför observationer till stöd för att de svarta hålen faktiskt existerar i universum (även om det under åren samlats en mängd övertygande indicier). Hos honom finns det inget tvivel om att hans över 600 formelfyllda sidor beskriver något annat än verkligt existerande objekt (så värst ”enkla” verkar de sist som slutligen inte vara). Men så hade han redan 1930 som 19-åring lagt de första pusselbitarna till den astrofysikaliska bakgrunden för de svarta hålen. Nämligen, inspirerad av ett arbete av R. H. Fowler , kom Chandrasekhar fram till att en stjärna som når sitt slutstadium som vit dvärg, är instabil om den har en massa större än omkring 1.4 solmassor. (Chandrasekhar fick Nobelpriset för denna teori, 54 år senare).

Några år senare (1938) visade R. Oppenheimer och G. Volkoff att också neutronstjärnor har en övre massgräns, kanske omkring 2 solmassor. Fastän R. Oppenheimer tillsammans med H. Snyder året därpå bevisade att ett gasmoln enligt Einsteins teori kan implodera till ett svart hål, var det ingen som insåg att för massiva stjärnor, som varken kan sluta som dvärgar eller neutronstjärnor, återstår ödet att kollapsa till ett svart hål.

Den intressanta frågan är varför man fram till slutet av 60-talet vägrade att acceptera svarta hål som ett möjligt slutstadium för stjärnor, trots teorins klara vittnesbörd. Fysikern W.Israel har spekulerat över detta. Han misstänker att de svarta hålen skrämde fysikerna och utmanade deras tro på materiens beständighet och stabilitet. Israel drar också en parallell till motståndet mot A. Wegeners teori (1912) om kontinentalförskjutningarna:

”båda idéerna stoppades för ett halvt sekel av ett motstånd som gränsade till det irrationella”, funderar Israel.

Einstein trodde sig t.ex. 1939 ha bevisat att svarta hål inte kan existera, men, som Thorne poängterar, ”beviset” grundade sig på Einsteins fördomar. Han insåg inte möjligheten att gravitationen kan övervinna alla andra krafter i naturen, och att objekt därför kan implodera till svarta hål. Denna mentala blockering var inget Einstein var ensam om. Man kan också fråga sig vilka självklara ”orimligheter” vi har i dag som i morgon betraktas som självklart rimliga. Möjligheten av tidsresor t.ex.?

De svarta hålen gör entré

Under de svarta hålens ”golden age” koncentrerades forskningen till tre grupper i världen. I England tränade D. Sciama en grupp framstående forskare med bl.a. R. Penrose, S. Hawking,, B. Carter och M. Rees. I USA har J. A. Wheeler fostrat svartahålforskare såsom K. Thorne, D. Bekenstein, R.Wald och C.W. Misna.. Världens främsta astrofysiker huserade enligt Thorne i Moskva och hette Y. B. Zeldovich (1914-1987). Hans svartahålteam inkluderade bl.a. I. D. Novikov och A. Starobinsky..

Ett udda fall i detta sammanhang är nyzeeländaren Roy Kerr, vilken som ung matematiker 1963, gav en fullständig matematisk lösning till Einsteins fältekvationer för roterande svarta hål (vilket man först senare kom underfund med). När Kerr presenterade sitt reultat i ett tiominutersföredrag under en konferens om kvasarer i Texas 1963, var det ingen som förstod relevansen av Kerrs lösning (endast fransmannen A Papapetrou försökte uppmärksamma Kerrs reultat). Det räckte ett decennium innan astrofysikema insåg att just roterande svarta hål (baserade på Kerrs lösning) kan ge svaret på kvasarernas gåta.

Chandrasekhars bok innehåller endast två fotografier: det ena av Roy Patrick Kerr (1934- ) och det andra av Karl Schwarzschild (1873-1916), som dog i I:a Världskrigets skyttegravar. Deras lösningar av fältekvationerna utgör grunden för svartahålforskningen. Även finländaren Gunnar Nordström (1881-1923) är ett bekant namn för svartahålforskarna i.o.m. att han gav lösningen för elektriskt laddade svarta hål (”Reissner-Nordström-lösningen”).

Det fanns olika orsaker som bidrog till att forskningen av svarta hål tog fart under 60-talet: utvecklingen av radio- och röntgenastronomin som bl.a. ledde till upptäckten av pulsarer, som i sin tur gav empirisk grund för teorin om neutronstjärnor (P. Zwicky, L. Landau); fysikerna (t.ex. Wheeler och Landau) kunde tillämpa sina erfarenheter och beräkningsmetoder från atombombsprojekten för att studera teoretiska modeller av stjärnkollapser och supernovaexplosioner; därtill kom ett nymornat intresse för Einsteins gravitationsteori, eftersom den teknologiska utvecklingen öppnade nya möjligheter att testa relativistiska effekter. Och omkring 1960 började amerikanen Joseph Weber konstruera världens första gravitationsvågsdetektor.

Tack vare de gemensamma ansträngningarna av forskargrupper i USA, Moskva och England, klarnade snart bilden av de svarta hålen. Bland annat kunde man visa att de ”saknar hår”; d.v.s. att de ostörda svarta hålen är absolut släta ”sfärer” (utan några håriga ojämnheter) och karaktäriseras fullständigt av några få parameterar: massa, elektrisk laddning och rotation (därav Chandrasekhars epitet ”enkla” objekt).

Penrose visade teoretiskt att roterande svarta hål innehåller en enorm energireserv, som man numera antar att ligger bakom kvasarernas fyrbåkar. De astrofysikaliska modellerna för kvasarer och galaxkärnor – med de svarta hålen i huvudrollen – utvecklades under perioden 1969-1978 av D. Lynden-Bell, R. D. Blandford, M.Rees, o.a. Man antar att det i kvasarernas centrum finns ett svart hål som suger in omkringliggande stjärnmateria och gaser i en uppsamlingsring, varefter en del av gaserna strålar ut i våldsamma ”jets” i rotationsaxelns riktning.

Även i Finland finns det en grupp astronomer, som med hjälp av Tekniska Högskolans 14 meters radioteleskop i Kyrkslätt, kontinuerligt följer med kvasaren 3C273:s förehavanden i syfte att få tillräckligt observationsmaterial för att kontrollera svartahålmodellen. Inom närmaste framtid kommer man förmodligen genom hopkoppling av olika radioteleskop runt om i världen (och kanske satellitbaserade sådana) att nå en såpass hög upplösning att man får en direkt bild av hur objektet 3C273 egentligen ser ut. Finns det inte svarta hål i kvasarerna så måste det vara något ännu egendomligare!

De svarta hålens framtid

Den mest karaktäristiska egenskapen hos svarta hål, vilken också gett dem dess namn, är att gravitationen innanför deras s.k. Schwarzschildradie är så stark att ingenting, inte ens ljus, kan ta sig ur dess grepp. Man säger att det svarta hålet omges av en horisont. Allting som hamnar innanför den är för evigt avspärrat från världen utanför horisonten. Det finns ingen returbiljett från horisontens insida. Därför slog det ned som en bomb bland svartahålsteoretikerna när S. Hawking 1974 publicerade en beräkning som visar att svarta hål måste stråla bort sin energi och till slut troligen upplösas i en explosion.

Det ironiska är att en av Wheelers elever, D. Bekenstein, redan 1972 misstänkte att svarta hål kan ha termodynamiska egenskaper (temperatur och entropi), men möttes av en envis opposition från alla ledande teoretiker, inklusive Hawking (Wheeler däremot ansåg att Bekensteins idé var tillräckligt galen för att kunna vara sann). Och året innan hade Zeldovich och Starobinsky tillämpat kvantmekanik på roterande svarta hål och kommit till resultatet att dessa måste utstråla energi ända tills deras rotation upphör.

Bland dem som misstrodde dessa resultat hörde Thorne som var i Moskva och diskuterade med Zeldovich. När Hawking fick ta del av Zeldovichs teori, genomförde han egna beräkningar och fann till sin och andras förvåning att även icke-roterande svarta hål utstrålar energi – ett resultat som Zeldovich vägrade tro på till en början (hans och Starobinskys beräkningar innehöll ett fel som de rättade senare varefter reultatet stämde överens med Hawkings beräkningar).

Förklaringen till den s.k. Hawking-strålningen är att vakuum enligt kvantfysiken ingalunda är absolut tomt utan snarare kan karaktäriseras som en kaotisk process av ”kvantfluktuationer”. Under normala förhållanden kan inte dessa fluktuationer observeras. Svarta hål (och t.ex. starka elektriska fält) kan dock s.a.s. deformera vakuum och skapa en stark spänning som frigör kvantfluktuationer i form av observerbara partiklar (Hawking-strålningen).

Däremot är forskarna osäkra på vad som sker i slutstadierna av det svarta hålets avdunstning, lämnar det några spår efter sig? Ett alternativ som fysikerna håller på att slå vad om är att svarta hål upplöses i en ”naken singularitet” (singularitet utan horisont). Till Penrose, som hävdar att den Kosmiska Censuren förbjuder nakna singulariteter, ansluter sig Hawking och Wheeler, medan Thorne och J. P. Preskill slagit vad med Hawking, till priset av ”clothing to cover the winner’s nakedness”, att nakna singulariteter existerar. Men Thorne erkänner att ingen vet vad dessa singulariteter kunde vara för något och vad de har för effekter på Universum. Svaret antas se dagens ljus först då man Iyckats förena gravitationen och kvantmekaniken i en tillsvidare hypotetisk kvant-gravitationell teori. (Av någon anledning nämner Thorne inte med ett ord ens de seriösaste ansatserna till kvantgravitation; nämligen stringteorier, loopspaces och supersymmetri.)

Maskhål och tidsmaskiner

Thorne tycks beklaga att han som seriös forskare i den amerikanska pressen stämplats som en crazy tidsmaskinsuppfinnare. Men Thorne har helt sig själv att skylla, efter att tillsammans med sina elever M. S. Morris och U. Yurtsever publicerat en artikel med titeln Wormholes, Time Machines and Weak Energy Condition i Physical Review Letters (61, 1446, 1988). Artikeln startade en bonanza bland tidsmaskinskonstruktörer och skeptiker. Thorne blev bl.a. uppringd av en extatisk Igor Novikov:

”Jag är så Iycklig, Kip! Du har brutit isen. Om du kan publicera forskning om tidsmaskiner, så kan jag med!”. Och det gjorde han, konstaterar Thorne.

Thornes intresse för tidsmaskiner väcktes när hans vän, astronomen och författaren Carl Sagan, behövde en hyperrymddrift för sin hjältinna i romanen Contact (1985). Thorne föreslog ett maskhål genom hyperrymden som en genväg till stjärnan Vega som ligger på 26 ljusårs avstånd från Kalifornien. Faktiskt insåg inte Thorne att hans maskhål skulle fungera som en tidsmaskin förrän Tom Roman påpekade saken. Men kruxet var att maskhålet enligt Einsteins teori för att kunna existera fordrar en sorts exotisk materia som har negativ medelenergi, alternativt en resenär som reser genom maskhålet med nära ljushastighet.

För att riktigt begripa sig på det här borde man sätta sig in i de tekniska detaljerna, men de paradoxala konsekvenserna av en tidsmaskin är däremot enklare att förklara. Till exempel det att man kunde resa tillbaka till sin ungdom och ta livet av sitt yngre jag, varför man aldrig reser med någon tidsmaskin, varför man inte kunde ta livet av sitt yngre jag… Och strider det inte mot energibevarelselagen om det plötsligt existerar två exemplar av mig själv?

Thorne har tillsammans med sin elev Gunnar Klinkhammer sökt lösa dessa paradoxer med hänvisning till kvantmekaniken (senast har D. Deutsch och M. Lockwood varit inne på en liknande kvantmekanisk lösning på paradoxen). Det innebär att man istället för säkra händelser talar om sannolikheter för händelser. Ett sådant probabilistiskt universum är redan så paradoxalt att den tar ut tidreseparadoxen – ungefär så verkar ”förklaringen” fungera. Min egen bedömning är att någon form av ”tidsresor” kan fungera för subatomära partiklar, men på makroskopisk nivå blir tidsresor omöjliga.

Hawking har redan hunnit införa The Chronology Protection Principle, som förbjuder tidsresor i naturen. Också Thorne lutar åt åsikten att naturen hindrar tidsmaskiners uppkomst – de har kanske en inbyggd instabilitet som gör tidsresor omöjliga.

Till slut några ord om själva boken som hantverk. Boken innehåller ypperliga teckningar av Matthew Zimet. Men en sak som i hög grad ökar bokens användbarhet är dess register, något som alltför ofta saknas hos finländska böcker.

Boken har sakregister, personregister, kronologi, ordlista, och minibiografier över bokens huvudaktörer (från Walter Baade till Fritz Zwicky). På dessa punkter kammar boken hem fullpott. Det enda jag saknar är matematiska appendix där endel saker kunnat utredas mera i detalj för den intresserade (ungefär som i Steven Weinbergs klassiker The First Three Minutes från 1976). Tyvärr tycks den anglosaxiska bokmarknaden kännetecknas av en sorts matematikfobi. För ett skandinaviskt motexempel, se Hans-Uno Bengtssons populärvetenskapliga bok Nalle Puh och Atomens Existens (Rabén 1993) med över 300 ekvationer i lättsam stil.
Kip S.Thorne: Black Holes & Time Warps – Einstein’s Outrageous Legacy, W.W.Norton & Company, Inc., 1994. Med förord av Stephen Hawking. 619 sidor. Kip S.Thorne (* 1940, Utah) är Feynman Professor of Theoretical Physics vid California Institute of Technology (Caltech). Thorne har vuxit upp i en mormonfamilj, men hela familjen följde moderns exempel då hon skrev ut sig ur kyrkan mot slutet av 80-talet på grund av dess motstånd mot kvinnornas rättigheter, uppger Thorne i not 2 på sidan 267.Thorne är författare (tillsammans med Wheeler och Misner) till en jättelik lunta, Gravitation, även kallad det ”svarta hålet”, som de senaste 20 åren varit studenternas royal road till gravitationsteorin. Thorne är också initiativtagaren till Caltechs LIGO projekt (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) med vars apparat, som väntas vara operational omkring år 2000, man försöker direkt mäta gravitationsvågor och etablera gravitations-astronomin.
Tillsvidare har ingen direkt kunna observera gravitationsvågor men LIGO hoppas att man blir tillräckligt känslig för att t.ex. registrera gravitationsvågorna efter kolliderande svarta hål (nobelpristagarna R. Hulse & J.Taylor har indirekt bevisat att ett stjärnpar läckte energi genom gravitationsstrålning). Ryssar med Vladimir Braginsky i spetsen är också inkopplade på projektet. Lyckas detta har mänskligheten ett nytt öga och öra som pejlar universums djup.