av Carlo Rovelli

det finns något paradoxalt i vad vi vet om svarta hål. De har nu blivit ”normala” objekt för astronomer. Astronomer observerar dem, räknar dem och mäter dem. De beter sig precis som Einsteins teori förutspådde för ett sekel sedan, när ingen drömde att sådana märkliga föremål faktiskt kunde existera. Så de är under kontroll. Och ändå förblir de helt mystiska.

å ena sidan har vi en vacker teori, allmän relativitet, bekräftad på spektakulärt sätt av astronomiska observationer, som står helt bra för vad astronomerna ser: dessa monster som sväljer stjärnor roterar i virvlar och producerar oerhört kraftfulla strålar och andra djävlar. Universum är överraskande, varierat, fullt av saker som vi aldrig hade förutsett eller föreställt oss existensen av, men begripliga. Å andra sidan finns det fortfarande en liten fråga av det slag som barn specialiserar sig på när vuxna är alltför entusiastiska: ”men var går allt material som vi ser falla i ett svart hål?”

och det är här Saker blir svåra. Einsteins teori ger en exakt och elegant matematisk beskrivning även av insidan av svarta hål: det indikerar den väg som material som faller i ett svart hål måste följa. Saken faller allt snabbare tills den når den centrala punkten. Och sedan … då förlorar Einsteins ekvationer all mening. De berättar inte längre någonting. De verkar smälta som snö i solsken. Variablerna blir oändliga och ingenting är meningsfullt. AJ.

vad händer med materia som faller i mitten av hålet? Vi vet inte.

genom våra teleskop ser vi att det faller, och vi följer mentalt dess bana tills det nästan når centrum, och då har vi ingen kunskap om vad som händer nästa. Vi vet vad svarta hål består av, både ute och inne, men en avgörande detalj saknas: mitten. Men det här är knappast en obetydlig detalj, för allt som faller in (och in i de svarta hålen som vi observerar på himlen, saker fortsätter att falla) hamnar i mitten. Himlen är full av svarta hål i vilka vi kan se saker försvinna… men vi vet inte vad som blir av dem.

vägarna som tagits för att utforska svar på denna fråga har hittills varit farliga. Kanske, till exempel, uppstår frågan i ett annat universum? Kanske till och med vårt eget universum började på detta sätt, framväxande om ett svart hål öppnades i ett föregående? Kanske i mitten av ett svart hål smälter allt till ett moln av sannolikhet där rymdtid och materia inte längre betyder någonting? Eller kanske svarta hål bestrålar värme eftersom saken som kommer in i dem mystiskt omvandlas, över zillioner år, till värme.

” vad händer med saken som faller i mitten av hålet? Vi vet inte”

i forskargruppen jag arbetar med i Marseille, tillsammans med kollegor på Grenoble och på Nijmegen i Nederländerna, undersöker vi en möjlighet som verkar både enklare och mer trovärdig: materien saktar ner och stannar innan den når centrum. När det är mest extremt koncentrerat utvecklas ett enormt tryck som förhindrar dess ultimata kollaps. Detta liknar ”trycket” som förhindrar att elektroner faller i atomer: det är ett kvantfenomen. Materien slutar falla och bildar en slags extremt liten och extremt tät stjärna: en ”Planck star”. Då händer något som alltid händer med materia i sådana fall: det returer.

det returer som en boll föll på golvet. Liksom bollen återvänder den längs höstens bana, i tidsmässig omvänd, och på detta sätt förvandlar det svarta hålet sig (med ”tunneleffekt”, som vi säger i jargongen) till motsatsen: ett vitt hål.

ett vitt hål? Vad är ett vitt hål? Det är en annan lösning på Einsteins ekvationer (som svarta hål är) om vilka min universitetsbok säger att ”det finns inget liknande i den verkliga världen”… Det är en region i rymden där ingenting kan komma in, men från vilka saker dyker upp. Det är tidsomvandlingen av ett svart hål. Ett hål som exploderar.

men varför ser vi Materia falla i svarta hål men ser det inte omedelbart studsa tillbaka igen? Svaret – och det här är den avgörande punkten om vad vi har att göra med-ligger i tidens relativitet. Tiden går inte i samma hastighet överallt. Alla fysiska fenomen är långsammare vid havsnivån än i bergen. Tiden saktar ner om jag är lägre ner, där tyngdkraften är som mest intensiv. Inuti svarta hål är tyngdkraften extremt stark, och som ett resultat är det en hård sänkning av tiden. Återgången av fallande Materia händer snabbt om den ses av någon i närheten, om vi kan föreställa oss att någon vågar sig in i ett svart hål för att se hur det är på insidan. Men sett från utsidan verkar allt sakta ner. Enormt saktade ner. Vi ser saker försvinna och försvinna ur sikte under extremt lång tid. Sett från utsidan ser allt fruset ut i miljontals år-exakt hur vi uppfattar de svarta hålen vi kan se på himlen.

men en extremt lång tid är inte en oändlig tid, och om vi väntade tillräckligt länge skulle vi se saken komma ut. Ett svart hål är i slutändan kanske inte mer än en stjärna som kollapsar och sedan returer – i extrem slow motion när den ses från utsidan.

detta är inte möjligt i Einsteins teori, men då tar Einsteins teori inte hänsyn till kvanteffekter. Kvantmekanik tillåter materia att fly från sin mörka fälla.

efter hur länge? Efter en mycket kort tid för den fråga som har fallit i det svarta hålet, men efter en extremt lång för dem av oss som observerar det från utsidan.

Så här är hela historien: när en stjärna som solen, eller lite större, slutar brinna eftersom den har konsumerat allt väte, genererar värmen inte längre tillräckligt med tryck för att motverka dess vikt. Stjärnan kollapsar på sig själv, och om den är tillräckligt tung producerar den ett svart hål och faller in i det. En stjärna av solens dimensioner, det vill säga tusentals gånger större än jorden, skulle generera ett svart hål med en diameter på en och en halv kilometer.

Föreställ dig det: hela solen innehöll i volymen av en fot. Det här är de svarta hålen som vi kan observera på himlen. Frågan om stjärnan fortsätter på sin kurs inuti, går allt djupare tills den når den monströsa kompressionsnivån som får den att återhämta sig. Stjärnans hela massa är koncentrerad till en molekyls utrymme. Här sparkar den repulsiva kvantkraften in, och stjärnan återvänder omedelbart och börjar explodera. För stjärnan har bara några hundradels sekund gått. Men utvidgningen av tiden som orsakas av det enorma gravitationsfältet är så extremt stark att när saken börjar återuppstå, i resten av universum, har tiotals miljarder år gått.

är detta verkligen fallet? Jag vet inte säkert. Jag tror att det mycket väl kan vara. Alternativen verkar mindre trovärdiga för mig. Men jag kan ha fel. Att försöka lista ut det är fortfarande en sådan glädje.

i ett ytterligare utdrag, ”Copernicus och Bologna”, skriver Rovelli om värdet av en universitetsutbildning

…Jag hittade också något annat i Bologna, när jag studerade där på sjuttiotalet: ett möte med den andan i min generation, en generation som var avsedd att förändra allt, som drömde om att uppfinna nya sätt att tänka, att leva tillsammans och att älska. Universitetet ockuperades i flera månader av politiskt engagerade studenter. Jag blev involverad med vännerna till Radio Alice, den oberoende radiostationen som hade blivit rösten för studentupproret.

i husen vi delade närde vi tonårsdrömmen om att börja från noll, omskapa världen från början, omforma den till något annat och mer rättvist. En naiv nog dröm, utan tvekan, alltid avsedd att möta trögheten i quotidian; alltid sannolikt att drabbas av stor besvikelse. Men det var samma dröm som Copernicus hade stött på i Italien i början av renässansen. Drömmen inte bara om Leonardo och Einstein utan också om Robespierre, Gandhi och Washington: absoluta drömmar som ofta katapulterar oss mot en vägg, som ofta är missriktade – men utan vilka vi inte skulle ha något av det som är bäst i vår värld idag.

” ett svart hål är kanske inte mer än en stjärna som kollapsar och returer i extrem slow motion”

vad kan universitetet erbjuda oss nu? Det kan erbjuda samma rikedomar som Copernicus hittade: den ackumulerade kunskapen om det förflutna, tillsammans med den befriande tanken att kunskap kan omvandlas och bli transformativ.

detta tror jag är den sanna betydelsen av ett universitet. Det är skattehuset där mänsklig kunskap är hängivet skyddad, det ger livsnerven som allt vi vet i världen beror på och allt vi vill göra. Men det är också den plats där drömmar vårdas: där vi har det ungdomliga modet att ifrågasätta just den kunskapen, för att gå framåt, för att förändra världen.

dessa utdrag är hämtade från boken Det finns platser i världen där regler är mindre viktiga än vänlighet, publicerad av Allen Lane den 5 November i Storbritannien. En recension följer overleaf

Köp boken från Amazon *

Se nu Carlo Rovelli tala om tidens natur i vår science talks-serie på YouTube