Kara Delikler Ölüyor Mu?: Hawking Radyasyonu ve Kuantum Mekaniği

Hawking Radyasyonu Nedir?

Stephen Hawking 1975’te ilginç bir keşif yaptı: Kuantum teorisi göz önünde bulundurulduğunda kara deliklerin tamamen “kara” olmaması gerekiyordu! Kara deliğin olay ufku ve civarındaki fotonlar, nötrinolar ve diğer parçacıkların ışıma yapması söz konusuydu. Diğer bir deyişle “Hawking radyasyonu” ile kara delikler hafifçe parlıyor olabilirdi.

Hawking radyasyonu, bir kara deliğin olay ufku ve çevresindeki hipotetik parçacıklar sayesinde yaptığı ışımayı işaret eder. Bu ışıma kara deliklerin ortalama kütlesini azaltıyor olması ile daha ilginç bir hal alır. Hawking radyasyonuna göre sıcaklık kara deliğin kütlesi ile ters orantılıdır. Bir kara delik ne kadar büyükse o kadar az ışıma yapacak, o kadar soğuk olacak ve ölümü bir o kadar yavaş gerçekleşecektir. Hawking radyasyonu Hawking’den bu yana hiç gözlemlenmemiş olmasına rağmen genel görelilik ve kuantum mekaniğinin birleşmiş modelinin desteklediği bir tahmindir.

Bir madde kara deliğe girdiği zaman artık evrenden izole bir konumda olur. “Kara deliğe düşen madde bir daha asla kurtulamaz, kara delikler etrafa herhangi madde, bilgi ve enerji saçmaz.” diyordu Hawking’den önceki bilim insanları. Onlara göre kara delikler tek yönlüydü, kara delikler girişi olan ancak çıkışı mümkün olmayan cisimlerdi. Ancak bu düzensizlik ölçüsüne aykırı bir tutumdur ve termodinamiğin ikinci yasasını da çiğnemektedir. Hawking ise diğer bilim insanlarının aksine kara deliklerin entropilerinin zamanla arttığına ve termodinamiğin ikinci yasasına da uyduklarına inanıyordu. Hawking’in bu düşünceleri devamında kritik bir kabule ihtiyaç duyuyordu. Entropisi olan her cismin bir sıcaklığı olması gerekiyor ve bu durumda kara deliğin tamamen karanlık olmak yerine biraz parlaması da gerekiyor.

https://c02.purpledshub.com/uploads/sites/48/2021/07/Hawking-radiation-33a5ec1.jpg

Hawking Radyasyonu Nasıl Üretiliyor?

Uzay boşluğu sanılanın aksine hiç de boş değildir. Evrenin bir bölümünden tüm madde, radyasyon ve enerji kuantumlarını çıkardığınızı hayal edin. Çıkarabileceğiniz her şey hiçbir şeye evrilene dek buna devam etseniz bile boş uzayın sıfır noktası tam olarak 0’a ulaşamaz. Uzayın bu noktada bile kendine özgü bir miktar enerjisi bulunacaktır. Anti parçacık çiftleri (parçacık-karşıt parçacık) uzayın bu yapısını daha iyi anlamamızı sağlar. Kuantum mekaniği parçacık çiftlerinin durmaksızın var olup yok olduğunu söyler. Aslında bu parçacık çiftleri bir arada var olurken ikililer birbirlerini yok eder ve varlıklarını koruyamaz. (Bu parçacıklar yalnızca kavramsal olarak sıfırdan farklı “o” enerjiyi anlamlandırmak için hayal edilen “sanal” parçacıklardır. Unutmayalım ki gerçek değillerdir.) Evrende bir şeylerin var olmasını sağlayan temel olay ise henüz açıklanamayan bir nedenle antimaddenin daha çok üretilmesidir. Parçacıklar arasındaki bu dengesizlik hakim olmasaydı şu an içinde bulunduğumuz gibi bir evrenden söz etmek mümkün olmazdı, bizler de aynı şekilde hiç var olmazdık. Kara deliklere dönecek olursak burada işlerin daha garip işlediğini görüyoruz. Bir kara delikte bu parçacık-antiparçacık çiftlerinin bulunabileceği kabaca 3 yer vardır:

• Parçacık çiftlerinden ikisinin de olay ufkunun içinde ortaya çıktığı, var olduğu ve birbirini yok ettiği bölge.
• Parçacık çiftlerinden ikisinin de olay ufkunun dışında ortaya çıktığı, var olduğu ve birbirini yok ettiği bölge.
• Parçacık çiftlerinden ikisinin de olay ufkunun dışında ortaya çıktığı fakat birinin kara deliğin çekiminden kaçamadığı diğerinin ise kaçtığı bölge.

Aşırı miktarda kütleçekimine maruz kalan sanal parçacıkların negatif enerji kazanmasıyla birlikte parçacık çiftlerinden birinin kara delikten kaçarak kara deliğin kütlesini azaltması “Hawking radyasyonu”nu ortaya çıkarır. Bu parçacıkların fiziksel olarak var olmadıklarını hatırlayalım. Gerçekte kara deliklerden “kara cisim spektrum”ları çıkar ve bu spektrumlar olay ufkunun büyüklüğü ile orantılıdır. Aynı zamanda ışıma hızı da kütle ile ters orantılıdır. Yani bir kara delik kütlesini kaybettikçe küçülme hızı artar.

Kara delikteki toplam enerji her zaman aynıdır. Parçacık çiftleri oluşurken bu değeri artırmaz çünkü enerjileri -kara deliğin de içinde bulunduğu- etraflarındaki uzaydan gelir. Ancak Hawking radyasyonunun çalışmasını sağlayan ve kara deliğin dışındaki uzaydan kaynaklanan sonucunda “gerçek” radyasyon oluşturan enerjiler toplam enerjiyi düşürür ve kara deliğin kütlesini azaltır.

Neden Hiç Gözlemi Yapılmadı?

Hawking radyasyonu genel görelilik ve kuantum mekaniği gibi sağlam temellere dayansa da daha önce hiç gözlemlenemedi. Bunun en büyük nedeni hawking radyasyonun işleyiş mantığından kaynaklanıyor. Kara deliğin kütlesinin küçüldükçe daha hızlı ışıma yaptığını biliyoruz. Bu küçük kütleli kara delikler hawking radyasyonunu gözlemlemek için daha ideal kara deliklerdir çünkü büyük kütleli olanların ışıma hızı çok daha düşüktür. Lakin küçük kütleli kara delikler bulunması ve gözleminin yapılması konusunda fizikçileri bir hayli zorluyor. Bu nedenle Hawking’den bugüne kadar gözlemi hiç yapılamadı.

Bilgi Paradoksu

Kuantum mekaniği bir parçacığın evrende alabileceği muhtemel tüm yolları ve bulunabileceği tüm durumları tespit edebileceğimizi söyler. Evrende hesaplanamayacak hiçbir parçacığın olmadığını ve dolayısıyla da bilginin hiçbir zaman yok olmayacağını öngörür. Kara deliğin içine girdiğimizde ise durum biraz değişiyor çünkü bir madde olay ufkunu aştıktan sonra ne olduğunu bilemiyoruz. Örneğin şu anki bilgilerimizle bir miktar pamuk ile aynı miktardaki demirin kara deliğe girmesi arasında fiziksel bir fark bulunmuyor. Hatta açığa çıkmasına neden olacakları radyasyon da tıpatıp aynı olacaktır. Bu durumda kara delikler kuantum mekaniği ile ele alındığında “bilgi paradoksu” ortaya çıkıyor. Evrende bilginin hiçbir yere kaçamayacağını söylerken kara deliğin içinde bilgiye tam olarak ne olduğuna ulaşamıyoruz.

Sonuç

Hawking radyasyonu, hawking ışıması yapan kara deliklerin kütlesinin ve rotasyonel enerjisinin (dönüş enerjisi) zamanla azalmasına neden olur. Yıldızların ölümü ile doğan kara delikler Hawking radyasyonu sonucunda kara delik buharlaşması ile yok olurlar.