Om svarta hål och Roger Penrose (och Stephen Hawking)

• 7 oktober 2020
• 6 min

Med anledning av 2020 års Nobelpris i fysik till Roger Penrose, Andrea Gehz och Reinhard Genzel slog vi upp Max Tegmarks numera närmast klassiska bok Liv 3.0, där han i kapitlet Vårt kosmiska kapital spekulerar kring kommande energikällor, refererar till den då kommande Nobelpristagaren Roger Penrose och samtidigt ger ett hommage till en av sina läromästare, Stephen Hawking. Om du inte redan läst boken eller behöver påminnas om det halsbrytande innehållet bjuder vi på ett smakprov här.

 

Avdunstande svarta hål

I sin bok Kosmos – en kort historik föreslog Stephen Hawking ett svart hål* som kraftverk. Detta kan låta paradoxalt med tanke på att svarta hål länge antogs vara fällor som ingenting, inte ens ljuset, någonsin kunde ta sig ur. Hawking har emellertid i en berömd uträkning lanserat att effekter av kvantgravitationen får ett svart hål att bete sig som ett varmt objekt – ju mindre, desto varmare – och avger en värmestrålning som numera är känd som Hawkingstrålning. Detta betyder att det svarta hålet gradvis förlorar energi och avdunstar. All materia som du dumpar i det svarta hålet kommer med andra ord ut igen som värmestrålning, så när det svarta hålet väl har avdunstat helt och hållet så har du omvandlat din materia till strålning med nära hundraprocentig effektivitet.**

 

Figur 6.3: Avancerad teknik kan utvinna betydligt mer energi ur materia än vad vi får genom att äta eller förbränna den, och ändå utvinner en kärnfusion 140 gånger mindre energi än var gränsen går enligt de fysikaliska lagarna. Kraftverk som utnyttjar sfaleroner, kvasarer eller avdunstande svarta hål kanske kan prestera mycket bättre.

 

Ett problem med att använda avdunstning av ett svart hål som energikälla är att såvida det svarta hålet inte är mycket mindre än en atom är det en olidligt långsam process som tar längre tid än universums nuvarande ålder och utstrålar mindre energi än ett stearinljus. Energin som produceras minskar med kvadraten på hålets storlek, och fysikerna Louis Crane och Shawn Westmoreland har därför föreslagit användning av ett svart hål som är cirka tusen gånger mindre än en proton och som väger ungefär lika mycket som det största fartyget som någonsin funnits. Deras främsta motiv var att använda svarta hål-motorn för att driva ett rymdskepp (ett ämne som vi återkommer till nedan), så de var mer bekymrade över flyttbarhet än effektivitet och föreslog att man skulle mata det svarta hålet med laserljus som inte skulle orsaka någon omvandling alls av energi till materia. Även om man kunde mata hålet med materia istället för strålning förefaller det svårt att garantera hög effektivitet: för att få protoner att ta sig in i ett sådant svart hål som är en tusendel av deras storlek måste de avfyras mot hålet med en lika kraftfull maskin som den i acceleratorprojektet vid CERN, Large Hadron Collider, och öka på sin energi mc2 med minst tusen gånger mer kinetisk (rörelse-)energi. Eftersom minst 10 % av den energin skulle gå förlorad till gravitoner när det svarta hålet avdunstar skulle vi därför tillföra mer energi till det svarta hålet än vad vi skulle kunna utvinna och använda, vilket skulle leda till negativ effektivitet. Något som ytterligare ställer till det för att ha ett svart hål som kraftverk är att vi fortfarande saknar en noggrann teori om kvantgravitationen som vi kan basera våra beräkningar på – men den osäkerheten skulle förstås också kunna innebära att det finns nya användbara effekter av kvantgravitationen som ännu återstår att upptäckas.

Roterande svarta hål

Som tur är finns det andra sätt att använda svarta hål som kraftverk och som involverar kvantgravitation eller annan svårförståelig fysik. Exempelvis snurrar många existerande svarta hål väldigt snabbt varvid deras händelsehorisont virvlar omkring med näst intill ljusets hastighet, och den här rotationsenergin kan utvinnas. Händelsehorisonten hos ett svart hål är det område varifrån inte ens ljuset kan ta sig ut eftersom dragningskraften är för stark. Figur 6.4 illustrerar att ett snurrande svart hål utanför händelsehorisonten har ett område som kallas för ergosfär, där det snurrande svarta hålet drar med sig rymd så snabbt att det är omöjligt för en partikel att inte åka med. Slänger du in ett objekt i ergosfären kommer det därför att öka farten genom att rotera runt hålet.

Figur 6.4: En del av ett roterande svart håls rotationsenergi kan utvinnas genom att kasta in partikel A nära det svarta hålet så att den klyvs i en del, C, som slukas och en del, B, som tar sig ut – med mer energi än vad A ursprungligen hade.

 

Tyvärr slukas det snart av det svarta hålet och försvinner för alltid genom händelsehorisonten, så det tjänar ingenting till att försöka utvinna energi här. Roger Penrose har emellertid upptäckt att om du skjuter iväg objektet i en smart vinkel och för det att klyvas i två delar som figur 6.4 illustrerar, kan du se till att bara en del slukas medan den andra tar sig ut ur det svarta hålet med mer energi än vad det hade i början. Du har med andra ord framgångsrikt omvandlat en del av det svarta hålets rotationsenergi till användbar energi. Genom att upprepa den här processen många gånger kan du mjölka det svarta hålet på all dess rotationsenergi så att det slutar snurra och ergosfären försvinner. Om det ursprungliga svarta hålet snurrar så fort som naturen tillåter, och dess händelsehorisont rör sig med i stort sett ljusets hastighet, låter den här strategin dig omvandla 29 % av dess massa till energi. Det råder fortfarande betydande osäkerhet om hur snabbt de svarta hålen på vår natthimmel snurrar, men många av dem som studerats mest tycks snurra rätt så fort: mellan 30 % och 100 % av det maximalt tillåtna. Det monstruösa svarta hålet mitt i vår galax (som väger fyra miljoner gånger mer än vår sol) verkar snurra, så även om bara 10 % av dess massa skulle kunna omvandlas till användbar energi skulle det vara detsamma som 400 000 solar omvandlade till energi med hundraprocentig effektivitet, eller ungefär lika mycket energi som vi skulle få från Dysonsfärer runt 500 miljoner solar under miljarder år.

 

* Om inget lämpligt, naturligt skapat svart hål kan påträffas i ett närbeläget universum, kan ett nytt skapas genom att placera mycket materia i en tillräckligt liten rymd.

** Detta är en lätt förenkling eftersom Hawkingstrålningen också inbegriper vissa partiklar som det är svårt att utvinna något användbart ur. Stora svarta hål är bara 90 % effektiva eftersom cirka 10 % av energin strålar ut i form av gravitoner: extremt skygga partiklar som nästan är omöjliga att upptäcka, än mindre utvinna något användbart ur. När det svarta hålet fortsätter avdunsta och krympa minskar effektiviteten ännu mer eftersom Hawkingstrålningen börjar innehålla neutriner och andra massiva partiklar.

 

Är vi ensamma i universum?

• 29 augusti 2014
• 5 min
• Kommentera

När jag föreläser i kosmologi ber jag ofta publiken att räcka upp handen om de tror att det finns intelligent liv på andra håll i vårt universum. Nästan varje gång räcker i princip alla upp handen, från lekskolebarn till universitetsstudenter. När jag frågar varför de tror det är det vanligaste svaret att eftersom rymden är så enormt stor måste det finnas liv någonstans, åtminstone statistiskt sett.

Men håller det argumentet verkligen? Jag tror inte det, av följande skäl.

Som den amerikanske astronomen Francis Drake påpekade kan sannolikheten för att det finns intelligent liv på en given plats beräknas som sannolikheten för att där finns en livsbefrämjande miljö (till exempel en passande planet) gånger sannolikheten för att liv ska utvecklas där gånger sannolikheten för att detta liv ska bli intelligent. När jag doktorerade kände vi inte till någon av dessa tre sannolikheter.

Andra flaskhalsar som föreslagits har att göra med utvecklingen av högre intelligens.

Efter de senaste tio årens dramatiska upptäckter av planeter som rör sig runt andra stjärnor verkar det nu troligt att det finns beboeliga planeter i överflöd, rent av miljarder bara i vår egen galax. Vad sannolikheten är för att liv och intelligens ska utvecklas är dock fortfarande högst ovisst: en del experter menar att antingen det ena eller båda med nödvändighet kommer att utvecklas på de flesta beboeliga planeter, medan andra tror att det ena eller båda är ytterst sällsynta på grund av flaskhalsar i evolutionen som bara kan passeras med nästan osannolik tur.

Bland de föreslagna flaskhalsarna märks problem av typen hönan och ägget i de tidigaste stadierna av självreproducerande liv: för att en modern cell ska bygga en ribosom, den ytterst komplexa molekylmaskin som läser vår genetiska kod och bygger upp våra proteiner, krävs till exempel en ribosom till, och det är inte självklart att denna första ribosom skulle kunna utvecklas gradvis ur något enklare.

Andra flaskhalsar som föreslagits har att göra med utvecklingen av högre intelligens. Även om till exempel dinosaurierna härskade över jorden i över 100 miljoner år, tusen gånger längre än vad den moderna människan har funnits till, verkar inte evolutionen ha drivit dem att utveckla en högre intelligens och till att bygga teleskop och datorer.

Med andra ord tycker jag det är ganska rimligt att hävda att vi fortfarande inte har en aning om hur stor andel av alla planeter som hyser intelligent liv: innan vi har studerat andra planeter är alla gissningar lika bra. Detta är en standardmetod för att hantera extrem osäkerhet inom vetenskapen och kallas på nördspråk ”uniform logaritmisk sannolikhet”; i klarspråk betyder det att andelen planeter med intelligent liv kan med ungefär samma sannolikhet vara såväl en på tusen som en på miljonen, en på miljarden, en på triljonen och så vidare.

Hur långt från oss kan den närmaste intelligenta civilisationen tänkas befinna sig?

På vårt antagande följer att detta avstånd också har en uniform logaritmisk sannolikhet, så innan vi har studerat saken närmare kan svaret lika gärna vara 10¹⁰ meter, 10²⁰ meter, 10³⁰ meter, 10⁴⁰ meter och så vidare.

Min personliga tolkning är att andelen planeter som hyser intelligent liv är oerhört liten.

Låt oss stämma av detta med den kunskap vi har inhämtat genom observationer. Hittills har inga astronomiska sökningar påvisat någon utomjordslig intelligens och det finns inga allmänt accepterade bevis för att utomjordingar någonsin har besökt jorden.

Min personliga tolkning är att andelen planeter som hyser intelligent liv är oerhört liten – det finns förmodligen inget sådant liv inom ett avstånd av 10²¹ meter från oss, det vill säga i vår galax eller dess omedelbara närhet. Jag baserar denna slutsats på följande antaganden:

1. Interstellär kolonisering är fysikaliskt möjlig och kan lätt åstadkommas om en civilisation som är lika avancerad som vår har en miljon år på sig att utveckla den nödvändiga teknologin.

2. Det finns miljarder beboeliga planeter i vår galax av vilka många bildades inte bara miljoner utan miljarder år före jorden.

3. En inte försumbar andel av de civilisationer som kan kolonisera rymden skulle verkligen göra det.

När det gäller antagande 1 håller jag frågan öppen om vilka teknologier som kan tänkas komma till användning. I stället för att skicka organismer av en människas storlek genom rymden vore det kanske mer effektivt att sända hela svärmar med små nanoprober som när de landat kan anlägga fabriker och sätta samman större livsformer utifrån ”e-postade” instruktioner som överförs med ljusets hastighet via elektromagnetisk strålning.

Vanliga invändningar mot antagande 3 är att avancerade civilisationer är naturligt vänliga eller ointresserade av att kolonisera, kanske för att deras avancerade teknologi gör det möjligt för dem att nå alla sina mål med de resurser de redan har. Eller kanske de håller en låg profil för att skydda sig, eller så koloniserar de oss på ett sätt som vi inte märker: detta har av den amerikanske astronomen John A. Ball kallats ”zoohypotesen” och den förekommer i science fiction-klassiker som Olaf Stapledons Stjärnskaparen.

Personligen tycker jag inte vi ska underskatta diversiteten hos avancerade civilisationer genom att anta att alla strävar mot samma mål: allt som krävs för att vår galax och rymden bortom den ska fyllas med kolonisatörer är att en enda civilisation bestämmer sig för att öppet kolonisera så mycket den kan. I ljuset av den risken kan även civilisationer som annars är ointresserade av kolonisation se sig tvingade att expandera av ren självbevarelsedrift.

Om min tolkning stämmer ligger den närmaste civilisationen cirka 1.000…000 meter från oss, varvid det sammanlagda antalet nollor med lika stor sannolikhet kan vara 21, 22, eller 23 eller varför inte 100, 101, 102 och så vidare – men det kan inte vara mycket mindre än 21. Om denna civilisation ska ligga i vårt eget universum kan antalet nollor dock inte vara större än 26, och sannolikheten för att antalet nollor ska ligga i det lilla spannet mellan 22 och 26 är rätt liten.

Därför tror jag att vi är ensamma i vårt universum.