Το παράδοξο της πληροφορίας απλουστεύθηκε

Ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι ο τελευταίος σταθμός: πέρα από αυτό το όριο τίποτα, ακόμη και φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει. Αλλά αυτό το "τίποτα" περιλαμβάνει την πληροφορία; Οι φυσικοί εδώ και 40 χρόνια καταπιάνονται με το "παράδοξο της πληροφορίας μιας μαύρης τρύπας", αλλά τώρα μια ομάδα ερευνητών από τη Βρετανία σκέφτεται ότι μπορεί να προσφέρει μια λύση αυτό το παράδοξο.

 

Οι ερευνητές αυτοί έχουν δημιουργήσει ένα θεωρητικό μοντέλο για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας αποφεύγοντας συνολικά το χωροχρόνο. Η εργασία τους υποστηρίζει επίσης μια αμφισβητούμενη θεωρία που προτάθηκε πέρυσι και που προτείνει ότι η βαρύτητα είναι μια αναδυόμενη δύναμη παρά μία καθολική θεμελιώδη αλληλεπίδραση. 

 

Παράδοξη ιστορία

Το παράδοξο της πληροφορίας εμφανίστηκε αρχικά στις αρχές της δεκαετίας του ’70, όταν ο Stephen Hawking πρότεινε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι συνολικά μαύρες, κάτι που στηριζόταν στην εργασία του Jacob Bekenstein στο Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ. Ο Hawking έδειξε ότι ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων που παράγονται κοντά στον ορίζοντα γεγονότων – την εξωτερική περιφέρεια μιας μαύρης τρύπας – θα χωρίζονταν. Ένα σωματίδιο θα περιερχόταν μέσα στη μαύρη τρύπα ενώ το άλλο θα δραπέτευε προς τα έξω, κάνοντας έτσι τη μαύρη τρύπα ένα σώμα που κατά παράδοξο τρόπο ακτινοβολεί.

Η θεωρία του Hawking υπονοούσε ότι, κατά τη διάρκεια ενός τεράστιου χρονικού διαστήματος, μια μαύρη τρύπα θα εξατμιζόταν τελικά, μην αφήνοντας πίσω της παρά μόνο μια αδιαπέραστη, άπειρης μάζας ιδιομορφία στο κέντρο της. Αυτό όμως ήταν ένα πρόβλημα για την κβαντομηχανική, που υπαγορεύει ότι τίποτα, συμπεριλαμβανομένων και των πληροφοριών, δεν μπορεί να χαθεί ποτέ. Εάν οι μαύρες τρύπες ‘παρακράτησαν’ τις πληροφορίες για πάντα μέσα στις ιδιομορφίες τους, θα υπήρχε μια θεμελιώδης ρωγμή στην κβαντομηχανική.

Η σημασία του παραδόξου πληροφοριών ήρθε πάλι στο προσκήνιο το 1997 όταν ο Hawking, μαζί με τον Kip Thorne του Caltech, έβαλε ένα στοίχημα με τον John Preskill, επίσης του Caltech. Εκείνη την εποχή, ο Hawking και ο Thorne θεωρούσαν ότι οι πληροφορίες χάνονταν στις μαύρες τρύπες, ενώ ο Preskill πίστευε ότι αυτό ήταν αδύνατο. Αργότερα, εντούτοις, Hawking αποδέχθηκε ότι έχασε το στοίχημα, λέγοντας ότι οι πληροφορίες επιστρέφονται – αν και σε μια μεταμφιεσμένη κατάσταση. 

Στις αρχές αυτού του αιώνα, ο Maulik Parikh του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης μαζί με τον Frank Wilczek στο Princeton, έδειξαν το πώς οι πληροφορίες θα μπορούσαν να διαρρεύσουν μακριά από μια μαύρη τρύπα. Στη θεωρία τους, τα σωματίδια που μεταφέρουν την πληροφορία ακριβώς μέσα στον ορίζοντα γεγονότων θα μπορούσαν να ανοίξουν μια κβαντική σήραγγα μέσα από ένα ενεργειακό φράγμα, ένα φαινόμενο που είναι σύμφωνο από τις αρχές της κβαντομηχανικής. Αλλά κι αυτή η λύση, επίσης, παρέμεινε αμφισβητήσιμη.

 

Άνοιγμα ‘σήραγγας’ μέσω του ορίζοντα γεγονότων

Τελευταία, οι Samuel Braunstein και Manas Patra από το Πανεπιστήμιο της Υόρκης στην Αγγλία, σκέφτηκαν μια πιο ελκυστική θεωρία για την διάνοιξη της κβαντικής σήραγγας,  από τη θεωρία των Parikh and Wilczek. "Δεν μπορούμε να ισχυριστούμε ότι έχουμε αποδείξει ότι η διαφυγή από μια μαύρη τρύπα είναι αληθινά δυνατή,” εξηγούν, "αλλά αυτή είναι η απλούστερη ερμηνεία των αποτελεσμάτων μας."

Κανονικά, οι θεωρητικοί που εξετάζουν τις μαύρες τρύπες πρέπει να παλέψουν με τη σύνθετη γεωμετρία του χωροχρόνου, όπως προκύπτει από τη θεωρία Einstein της βαρύτητας – τη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Στο μοντέλο τους, οι Braunstein και Patra λένε ότι ο ορίζοντας γεγονότων είναι καθαρά κβαντομηχανικής φύσης, με bits κβαντικού ‘Hilbert’ χώρου να ανοίγει σήραγγα μέσω ενός φράγματος.

Οι θεωρητικοί διαπιστώνουν ότι ακόμη και ένα τέτοιο βαριά απλουστευμένο μοντέλο διάνοιξης σήραγγας μπορεί να αναδημιουργήσει το φάσμα της ακτινοβολίας που θεωρείται ότι προέρχεται από τις μαύρες τρύπες. Αυτό το μοντέλο είναι αντίθετο από την δημιουργία του ζεύγους σωματιδίων όπως το πρότεινε ο Hawking, και το οποίο οδηγεί στην απώλεια πληροφοριών και πάντα απαιτούσε πολύ  περισσότερες θεωρητικές λεπτομέρειες για να δουλέψει. Για να το πούμε απλά, οι Braunstein και Patra λένε ότι η διάνοιξη μιας σήραγγας φαίνεται πολύ πιθανότερο να είναι ένα εγγενές χαρακτηριστικό γνώρισμα των μαύρων οπών – κι έτσι, πιθανώς, οι πληροφορίες δεν χάνονται τελικά. Τα συμπεράσματά τους δημοσιεύονται στο Physical Review Letters.

 

Και στο βάθος μια νέα άποψη για την βαρύτητα

Υπάρχει ακόμα μια αλλαγή στην εργασία των ερευνητών. Πέρυσι, ο θεωρητικός των χορδών Erik Verlinde του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ, που στηρίζεται στην εργασία του Ted Jacobsen του Πανεπιστημίου Μέρυλαντ, υπέβαλε μια θεωρητική ιδέα για την προέλευση της βαρύτητας. Στο πλαίσιο της πρότασης του Verlinde, η βαρύτητα δεν είναι μια θεμελιώδης αλληλεπίδραση, αλλά προκύπτει από το σύμπαν προσπαθώντας αυτό να μεγιστοποιήσει την αταξία (το μέτρο της εντροπίας). Η βαρύτητα είναι επομένως μια "εντροπική δύναμη" – μια φυσική συνέπεια της θερμοδυναμικής – όπως κάποιος αισθάνεται μια δύναμη από μια τεντωμένη λαστιχένια ζώνη και καθώς τα μόρια προσπαθούν να  στραφούν σε καταστάσεις αταξίας.

Οι Braunstein και Patra θεωρούν ότι το μοντέλο της μαύρης τρύπας τους ευνοεί την πρόταση του Verlinde. Εάν λοιπόν η βαρύτητα – για να μην αναφέρουμε την αδράνεια ή τον χωοχρόνο – είναι μια δύναμη που αναδύεται και όχι βασική, τότε αυτή δεν θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διευκρινιστεί ο βασικός μηχανισμός της απώλειας πληροφοριών των μαύρων οπών, που είναι αυτό που οι δύο ερευνητές της Υόρκης έχουν παρουσιάσει. "Αυτό δεν αποδεικνύει ότι η άποψη του Verlinde είναι σωστή, αλλά ότι η πρότασή του έχει βάση", υποστηρίζει ο Braunstein . 

Ο Steve Giddings, ένας φυσικός που ειδικεύεται στην κβαντική βαρύτητα στο Πανεπιστήμιο της Santa Barbara, δεν νομίζει ότι οι Braunstein και Patra της Υόρκης έχουν εξετάσει τις "πιο κεντρικές ερωτήσεις" της πρότασης του Verlinde για την προέλευση της βαρύτητας. Εντούτοις, λέει ότι έχουν βάλει στο προσκήνιο έναν άλλο υπαινιγμό για μια σημαντική σύνδεση μεταξύ των κβαντικών πληροφοριών και της βαρύτητας.

"Μια σημαντική πρόκληση είναι να υπολογίσουμε εάν στις ιδέες που διατυπώνονται από τον Verlinde και άλλους μπορεί να δοθεί μια πιο συγκεκριμένη θεμελίωση," προσθέτει ο Steve Giddings. "Αυτό μπορεί να είναι ένα ακόμα κομμάτι εκείνου του γρίφου, αλλά δεν είμαστε εκεί ακόμα."