מייד לאחר פרסומה של תאוריית היחסות הכללית בידי איינשטיין בשנת 1915, מצא הפיזיקאי היהודי-גרמני קרל שוורצשילד [1], שנלחם באותה השעה בחזית הרוסית, פתרון מדויק למשוואות השדה של תאוריית היחסות שמתארות כיצד מושפע המרחב מנוכחות חומר ואנרגיה בתוכו. שוורצשילד שלח את התוצאה מחזית הקרב לאיינשטיין, שקיבל אותה בהתלהבות.

תוצאת החישוב של שוורצשילד הוא עצמת שדה הכובד שמחוללת מסה. במרחקים גדולים מהמסה שדה הכובד זהה לשדה שמתקבל מתאוריית הכבידה של ניוטון, אולם אם המסה מרוכזת בנפח קטן הרי שהיא גורמת לשדה כובד כל-כך חזק שעל פי תאוריית היחסות הכללית אפילו אור לא יוכל לחמוק מקרבת המסה. כאשר מסה מרוכזת בנפח כה קטן, באזור שגודלו קטן מ״רדיוס שוורצשילד״, מתקבל ״חור שחור״. לדוגמה, עבור השמש רדיוס שוורצשילד הוא 3 ק״מ. אם השמש היתה מרוכזת כולה ברדיוס כה קטן הרי שעל פי תאוריית היחסות הכללית של איינשטיין, אור לא יכול היה לחמוק מהשמש והשמש הייתה שחורה.

במשך שנים רבות התייחסו מדענים לאפשרות שחומר יהיה כה צפוף עד כדי כך שיהווה חור שחור בביטול.
התפתחות תאורטית מעניינת חלה בשנות הששים והשבעים של המאה העשרים, כאשר נתגלה הדמיון בין חוקי התרמודינמיקה לבין הדינמיקה של חורים השחורים.

הפיזיקאי הישראלי המנוח יעקב בקנשטיין [2] גילה שחורים שחורים נושאים אנטרופיה, גודל פיזיקלי המעיד על כך שהחור השחור חם. בעקבות עבודתו של בקנשטיין, הפיזיקאי האנגלי המפורסם סטיבן הוקינג נרתם לחישוב הקרינה הנפלטת מחורים שחורים.
זה הזמן לעצור ולשאול: מה פתאום חורים שחורים פולטים קרינה? שהרי על פי תאוריית היחסות הכללית שדה הכובד של חורים שחורים הוא כל-כך חזק שאין הוא מאפשר לאור לחמוק ממנו.

אכן, על פי חוקי הפיזיקה הקלאסית חורים שחורים אינם פולטים קרינה. אולם הוקינג ערך חישוב שחורג מכללי הפיזיקה הקלאסית וכלל בחישוב אפקטים הנובעים מתורת הקוונטים.

פרופ' סטיבן הוקינג. Wikipedia©

התוצאה של הוקינג היתה מפתיעה וחוללה תדהמה: התברר שחורים שחורים קורנים קרינת גוף שחור. מהי הכוונה ב״קרינת גוף שחור״? נניח לרגע תיבה שחורה לגמרי, כלומר כזאת שאיננה מחזירה קרינה אלא פולטת קרינה בלבד, עקב היותה בעלת טמפרטורה מסויימת [3]. התפלגות הקרינה הנפלטת, על פי אורכי הגל, נקראת חוק פלאנק ועל-כך דובר בפרק הראשון בסדרת הקוונטים שלנו [4].

הטמפרטורה של החור השחור נקבעת ביחס הפוך מסתו. כלומר ככל שמסת החור השחור קטנה יותר כך הטמפרטורה שלו גדולה יותר.
ניתן להסביר את תוצאת החישוב של הוקינג בכמה אופנים: אחד מהם הוא תופעת המינהור הקוונטי. אמנם אור איננו יכול לצאת מהחור השחור באופן קלאסי, אולם על-פי תאוריית הקוונטים ניתן לדלג על מכשולים קלאסיים כך שחומר (או אור) יכול להימצא באזור בו לא היינו מצפים שיהיה, ובלבד שחוק שימור האנרגיה וחוקי שימור אחרים לא יופרו. הסבר שני הוא שבקרבת החור השחור נוצרים זוגות של חלקיקים מהריק. אחד מהחלקיקים נופל אל החור והשני נפלט ממנו וכך לצופה שנמצא הרחק מהחור השחור נראה שהוא פולט חלקיקים.

הקרינה מהחור השחור, הנקראת ״קרינת הוקינג״ מציבה בפני הפיזיקה התאורטית מספר שאלות שעדיין לא נמצא להן פתרון:
בהעדר תאוריית גרביטציה קוונטית, האם ניתן להסתמך על החישוב של הוקינג? האם הוא כשר?
קרינת הוקינג איננה תלויה בפרטי החומר שנפל לתור החור השחור. אין זה משנה האם לחור השחור נפל כיסא או שולחן, הקרינה תלויה רק במסת החור. אם כך, היכן מצויה האינפורמציה בדבר מהות החומר שנפל לחור השחור? מה יקרה בסופו של תהליך הקרינה. האם החור השחור יתאייד כליל או שמא ייוותר חומר שיורי?

על שאלות אלו ואחרות ישנן תשובות חלקיות במסגרת תאוריית המיתרים, אולם לא אסקור אותם ברשימה זאת.

לקריאה נוספת

• פוסט קודם בנושא חורים שחורים
• עוד על קרינת הוקינג

קורות והרחבות

[1] Stephen Hawking Hasn't Solved the Black Hole Paradox Just Yet

[2] Dan Maoz: Astrophysics in a nutshell

[3] ליבת השמש

[4] Richard Liboff: Quantum Mechanics 4th Ed.

[5] Particle Creation by Black Holes, S.W.Hawking

[6] Black hole information paradox

[7] Vacuum energy