Stephen Hawking znowu ratuje czarne dziury czyli jak nie zniszczyć informacji

Czarna dziura. Rys. NASA/CXC/M.Weiss

Czarne dziury odsłaniają kolejną ze swoich tajemnic. A przynajmniej tak twierdzi Stephen Hawking.

To jedne z najdziwniejszych tworów Wszechświata. Jesteśmy pewni, że istnieją, choć nikt ich nie widział. A mimo tego badania nad nimi trwają, choć odbywają się głównie w głowach fizyków i matematyków. Czarne dziury wymykają się zdrowemu rozsądkowi, a ostatnie odkrycia Stephena Hawkinga czynią je jeszcze bardziej niesamowitymi.

Kłopoty z czarnymi dziurami zaczynają się, gdy tylko zaczniemy poważniej o nich myśleć. Na pierwszy rzut oka (czy raczej – umysłu) jest łatwo: oto bierzemy jakąś ilość materii i gromadzimy ją w bardzo małej objętości. Grawitacja zwycięża siły odpychania się cząstek i powoduje zapadnięcie się materii. I tu dzieją się rzeczy dziwne, bo czarna dziura nie wypuszcza niczego, co do niej wpadnie.

Horyzont zdarzeń

W pewnej odległości od punktu, który się zapadł, istnieje granica nazwana poetycko horyzontem zdarzeń. Jeśli coś ją przekroczy, to nie może już uciec od przyciągania czarnej dziury i zostaje przez nią wchłonięte. Ta zasada dotyczy nawet światła i dlatego właśnie dziura jest czarna – horyzont zdarzeń to czerń absolutna, nic z niej nie może dotrzeć do naszych oczu.

A przynajmniej logika podpowiada, że nic nie może uciekać z czarnej dziury. Bo mechanika kwantowa mówi co innego – czarna dziura jednak promieniuje. Musi, bo inaczej czarne dziury byłyby wieczne, stale by rosły i w końcu wchłonęłyby cały Wszechświat i siebie. Gdyby były niezniszczalne, to obserwowalibyśmy je stale, bo powstawać mogą dość łatwo i wypełniałyby przestrzeń kosmosu. Rosłyby szybko i być może Wszechświat byłby już dawno pożarty.

Tymczasem jakoś wciąż istniejemy i dziur wcale tak wielu nie ma. Co się dzieje? Sytuację uratował Hawking w 1974 roku publikując pracę, w której wykazał, że czarne dziury mogą promieniować. A kiedy promieniują, stopniowo znikają. W dodatku robią to tym intensywniej, im są mniejsze. Dlatego te malutkie, które mogłyby być całkiem częste, znikają najszybciej. Pozostają te gigantyczne, powstałe w wyniku wybuchów gwiazd.

Jeszcze więcej problemów

Jednak to rozwiązanie sprawiło, że pojawiły się kolejne kłopoty. Obiekty wpadające do czarnej dziury zabierają ze sobą informację o swoim stanie – tak zwaną funkcję falową. Ale wedle mechaniki kwantowej ta informacja nie może zostać zniszczona czy usunięta. Jest niezniszczalna.

I wszystko było dobrze, dopóki czarne dziury miały być wieczne. Bo wtedy informacja wpadała do nich i na zawsze w nich zostawała. Od kiedy jednak okazało się, że czarne dziury mogą zniknąć pojawił się tak zwany paradoks informacyjny. Informacja w postaci funkcji falowej nie może zniknąć, a znika. Co robić?

Czarna dziura w Interstellar. Fot. ©2014 WARNER BROS. ENTERTAINMENT INC. AND PARAMOUNT PICTURES CORPORATION

Odpowiedzią może być właśnie najnowsza teoria Hawkinga, którą opracował razem z Andrew Stromingerem z Uniwersytetu Harvarda i Malcolmem Perrym z Uniwersytetu Cambridge. Zgodnie z nią każdy obiekt wpadający do czarnej dziury pozostawia po sobie ślad – hologram na wewnętrznej powierzchni horyzontu zdarzeń. Dlaczego hologram? Bo powstaje przez zmodyfikowanie wzoru światła, które pozostaje uwięzione na granicy horyzontu zdarzeń. To światło, które chce uciec z czarnej dziury, ale jest na to zbyt wolne. Pozostaje więc na samej krawędzi i może być naruszone, przesunięte przez wpadające do dziury obiekty.

Gdy czarna dziura paruje, ten hologram powoli wydostaje się na zewnątrz a więc informacja nie ginie – wraca do świata. Co prawda zniekształcona i nie do odtworzenia, ale zawsze. Uff.

Hawking, który przez lata upierał się, że informacja musi być jednak niszczona, teraz przyznał, że najpewniej się mylił. Czy tak jest faktycznie, najtęższe głowy będą mogły stwierdzić za kilka tygodni lub nawet miesięcy, gdy zostaną opublikowane szczegółowe obliczenia, na których zbudowano teorię.

Ciekaw jestem, czy ktoś zdołał doczytać do tego miejsca. 🙂

Jeśli zdołał, to dla relaksu może chce przeczytać naukową recenzję Interstellar? Też jest o czarnych dziurach, choć mniej hardcore’owo…