Ny teori bidrar till debatten om svarta hål

Forskare vet att svarta hål existerar på riktigt, det från många slags observationer. Det finns till exempel ett svart hål med en massa fyra gånger större en solens ungefär 27 000 ljusår från oss. Och det närmaste svarta hål som forskare känner till är Gaia BH1 som ligger 1 560 ljusår bort.

Enligt en teori av den brittiske fysikern Stephen Hawking är svarta hål inte helt svarta, han menar snarare att de är mörkgrå och att de långsamt kokar bort. Teorin som Hawking lanserade har sysselsatt forskare i ett halvt sekel eftersom den är svår att kombinera med kvantmekaniken. Hawking själv hävdade länge att skillnaden är så stor att kvantmekaniken inte kan gälla i det inre av svarta hål, men ändrade sig mot slutet av sitt liv och menade att det på något sätt borde gå.

Bidrar till debatten

Nu har Erik Aurell, professor på KTH, tillsammans med ett team andra forskare utvecklat en ny teori kring slumpmässiga Gaussiska multifotontillstånd, som bidrar till debatten och som publicerats i artikeln ”Random Pure Gaussian States and Hawking Radiation”.

– Vi tror att metoderna som vi utvecklade kan användas även på andra problem, säger Erik Aurell, professor i biologisk fysik på KTH. 

Aurell och hans teams lösning bygger på att det som Hawking först upptäckte var att hans strålning ser maximalt oordnad ut, om man betraktar en mod i taget, det vill säga allt ljus som har ungefär samma frekvens. Det är den oordningen, ifall den summeras över alla moder, som är svår att kombinera med kvantmekaniken. Om detta över huvud taget går måste oordningen vara en effekt av att man betraktar en mod i taget, och inte alla moder på en gång. I kvantfysiken kallas ett sådant fenomen kvantsnärjning (engelska: quantum entanglement). Problemet är att om alla moderna i Hawkingstrålningen är snärjda med varandra, så borde varje par av moder också vara inbördes snärjda, och Hawking och andra visade tidigt att så inte kan vara fallet, åtminstone inte för olika moder av Hawkingstrålningen som skickas ut från svarta hålet vid ungefär samma tid.

Kan bidra

Hur det verkligen förhåller sig vet ingen. Men man kan ställa frågan hur det typiskt skulle kunna se ut. Det finns många olika tillstånd av den totala Hawkingstrålningen som dels inte bryter mot kvantmekaniken, dels är sådana att de mod för mod ser ut som Hawking förutspådde. Om man tar ett slumpmässigt sådant tillstånd, kommer moderna då att vara parvis snärjde med varandra eller ej? Svaret som Aurells team kom fram till är att de kommer de nästan säkert inte.  

Ur ett metodologiskt perspektiv kan teamets resultat ses som ett exempel på att frågor som verkar svåra eller kanske oavgörbara ibland kan bli enklare om man gör problemet större. Antalet moder i Hawkingstrålningen från ett svart hål är nästan ofattbart stort, och det är just i den gränsen, som ökar med svarta hålets massa, som problemet blir lösbart. Även om analogin är något långdragen uppstår liknande effekter också i AI, t ex i kombinatoriska optimeringsproblem. 

Ur ett mer praktiskt perspektiv kan forskningen bidra till nya sätt att behandla kvantsnärjda fotoner och hitta sätt att förbättra sensorer, strålning och mikroskopi.

– Nu kommer vi att titta på en teknisk uppföljning, förbättring och förenkling av teorin, säger Erik Aurell