Črne luknje in informacijski paradoks

    Stephen Hawking je gotovo najslavnejši fizik na planetu. Njegova knjiga Kratka zgodovina časa je presegla vse prodajne rekorde, nastopil je v popularnih televizijskih nadaljevankah, kot so Simpsonovi in Zvezdne steze, mediji o njem poročajo kot o filmskem ali športnem zvezdniku.

    Znanstvenik ali medijska zvezda?

    Hawking je mojster tako fizike kot tudi medijskega nastopanja. Čeprav je zelo bolan in že veliko let povsem paraliziran, mu še vedno uspe razburkati tako medijsko kot tudi znanstveno javnost. Že desetletja je obsojen na invalidski voziček, zadnja leta s svetom komunicira samo še z očesnimi gibi, a se vseeno ne vda in kljubuje črnogledim zdravniškim prognozam.

    V medijih veliko govori tudi o podnebnih spremembah in poziva k ukrepom, saj je prepričan, da je zadnji čas, da človeštvo nekaj stori, sicer se bo moralo prej ali slej odseliti z rodnega planeta, ker ne bo več primeren za življenje. A Hawkingovo temeljno znanstveno področje, na katerem je dosegel tudi največje uspehe, je raziskovanje črnih lukenj.

    Idealni vesoljski zapor

    Črne luknje so verjetno najbolj nenavadni objekti v vesolju. Ne samo da ne svetijo ali vsaj odbijajo svetlobo, kot to počnejo zvezde in planeti, ampak, nasprotno, požirajo vse po vrsti. Kar koli jim pride dovolj blizu, je obsojeno na žalostni konec.

    Črne luknje si lahko predstavljamo kot vesoljske požiralnike, ki jim nič ne uspe pobegniti. Gravitacija v njihovi bližini je tako močna, da niti svetloba, ki se po vesolju giblje z največjo dovoljeno hitrostjo, ne more premagati njihovega gravitacijskega privlaka. Črne luknje so idealni zapori: vse, kar vstopi vanje, tam ostane za vse večne čase.

    Dolgo časa je med fiziki veljajo prepričanje, da so črne luknje povsem črne. Vsi so bili prepričani, da črne luknje zelo strogo spoštujejo pravilo o enosmerni vožnji. Promet je v njihovi bližini mogoč le v eni smeri, v drugo stran pa je povsem prepovedan. A Hawking je vedno slovel kot zelo samosvoja in trmasta osebnost. Kot se ni želel sprijazniti, da mu bo bolezen v nekaj letih odvzela vse sposobnosti za komunikacijo s svetom, je tudi na fiziko črnih lukenj začel gledati povsem nekonvencionalno.

    Črne luknje vseeno niso povsem črne

    Hawkingovo največje odkritje o črnih luknjah je, da niso povsem črne. Kljub vsem prepovedim te luknje oddajajo zelo šibko sevanje, ki se odkritelju v čast imenuje Hawkingovo sevanje. To sevanje nastaja zaradi kvantnih pojavov prav na meji, od koder najhitrejši delci še lahko pobegnejo pred večno pogubo v globinah črne luknje.

    Okoli vsake črne luknje lahko narišemo navidezni horizont, od koder se še da pobegniti pred gravitacijsko močjo luknje. Kar koli prečka ta horizont, je za vedno izgubljeno za zunanji svet. Vrnitve ni. Čeprav so številke, ki opisujejo svet črnih lukenj, povsem nepredstavljive, si vseeno poglejmo nekaj grobih primerjav.

    Če ima črna luknja maso tako veliko kot vsa galaksija, je horizont ali meja, od koder ni več upanja za kakršno koli vrnitev, primerljiva z velikostjo vsega osončja. Za črno luknjo z maso, kot jo ima ena sama zvezda, je horizont le kak kilometer od središča. Če pa je masa luknje enaka zgolj masi manjše gore, je horizont primerljiv z velikostjo protona.

    Ali črna luknja uničuje informacije?

    Hawking je ugotovil, da lahko kvantni pojavi v bližini navideznega horizonta, ki obkroža črno luknjo, povzročijo, da črna luknja vseeno oddaja sevanje. To pomeni, da lahko njej pripišemo tudi temperaturo. Vendar to še ni vse. Če je na voljo dovolj časa, se lahko dogodi, da prek Hawkingovega sevanja črna luknja povsem izhlapi. Sevanje ji odnese vso maso in energijo. Kaj to pomeni za vse informacije, ki so v preteklosti prečkale horizont črne luknje in za vedno izginile v skrivnostni notranjosti? Kaj se zgodi z informacijo, ko črna luknja nekoč izhlapi? Ali takrat tudi informacija izgine?

    Hawking se je dobro zavedal, da takšna interpretacija postavlja na glavo marsikatero utečeno predstavo o delovanju narave, zato ga je seveda še toliko bolj pritegnila. Ker je tudi mojster komuniciranja s širšo javnostjo, je svoj informacijski paradoks črnih lukenj povzel tako: »Bog ne le kocka, ampak vrže kocko včasih tudi tja, kjer je ne more pogledati.« V črno luknjo namreč.

    Informacijski paradoks

    Resno sta se s Hawkingovim informacijskim paradoksom spopadla nobelovec Gerard ‘t Hooft in eden od očetov teorije strun Leonard Susskind. Že od vsega začetka sta bila namreč prepričana, da se informacije v črni luknji ne izgubljajo, saj bi to pomenilo preveliko težavo za fiziko, kot jo poznamo. Iskala sta način, kako bi pojasnila ta navidezni paradoks izgubljanja informacij. Njuna ugotovitev je bila, da narava informacije nikoli ne uniči, ampak jo le zakrije. Nasprotno pa je Hawking trdil, da črne luknje proizvajajo nekakšen hrup oziroma naključnost, ki nepovratno uničuje informacije.

    Dokler črna luknja samo požira materijo in energijo, večjih težav ni. Problemi se pojavijo šele takrat, ko črna luknja zaradi Hawkingovega sevanja povsem izhlapi. Za večjo črno luknjo bi to trajalo nepredstavljivo dolgo časa, pri mikroskopsko majhni črni luknjici pa bi se to lahko hitreje zgodilo.

    Se informacije nepovrnljivo izgubijo?

    Po Hawkingovi interpretaciji so črne luknje kot nekakšni vesoljski pisarniški rezalniki papirja, ki zaupne dokumente razrežejo na tako drobne kosce, da se jih ne da več sestaviti. Informacije se za vedno izgubijo. A Hawkingovi strokovni nasprotniki trdijo, da so te informacije samo zelo skrite. Če poznamo natančen mehanizem njihovega nastanka, jih lahko rekonstruiramo. Podobno kot jim je uspelo iz ostankov razrezanih dokumentov rekonstruirati nekaj vzhodnonemških dokumentov, ki so jih na hitro uničevali po padcu berlinskega zidu.

    Susskind in ‘t Hooft sta pokazala, da ima uničevanje informacij v črni luknji nekaj zelo neprijetnih posledic. Ne samo da se teorija kvantne mehanike pri popolnem izginotju črne luknje ne izide več, ampak začne tik ob črni luknji nastajati tudi velikanska količina energija. Prav zato sta oba teoretika črnih lukenj prepričana, da se informacije v luknjah zares ne izgubljajo, ampak da obstaja način, kako vseeno nekako ostanejo zunaj njih.

    Skok v črno luknjo

    Če bi se z vesoljsko ladjo lahko odpeljali v bližino katere od črnih lukenj in bi skozi okno opazovali dogajanje v bližini, seveda ne bi videli črne krogle, ki srka vse naokoli, ampak, nasprotno, zelo bučno dogajanje. Vse, kar pada proti tako masivnemu telesu, se namreč pospešuje in zato močno seva ter gre skozi peklensko vročino.

    Po drugi strani pa teorija za idealni primer, če bi se z vesoljsko ladjo zapeljali čez horizont dogodkov dovolj velike črne luknje, od koder ni več vrnitve, napoveduje, da ne bi pri prehodu horizonta občutili nič neobičajnega. Samo prečkanje horizonta fizično na ladjo ne bi vplivalo, pomenilo bi le, da vrnitve nazaj ni več.

    Imamo na videz dve zgodbi, ki nista usklajeni med seboj, čeprav gre za isto dogajanje. Od zunaj je videti, da črna luknja vesoljsko ladjo uniči že med prehodom čez horizont, medtem ko potniki v ladji tega ne občutijo. Navidezno neskladje teh dveh opisov dogajanja strokovnjaki imenujejo komplementarnost črne luknje.

    Razrešitev informacijskega paradoksa

    Po dolgoletnem razmišljanju in iskanju rešitve, sta ‘t Hooft in Susskind predlagala rešitev. Po njuni interpretaciji, ki sta jo poimenovala holografsko načelo, črne luknje delujejo kot nekakšni kozmični projektorji, ki tridimenzionalni svet sploščijo na dvodimenzionalno površino črne luknje. Susskind pravi: »Dve različni sliki, ki ju poskuša komplementarnost črne luknje uskladiti, sta preprosto dva različna načina rekonstrukcije istega holograma po dveh različnih rekonstrukcijskih algoritmih.«

    Pred desetletjem je mlad argentinski matematik Juan Maldacena hipotezo holografskega načela podprl tudi z natančnimi izračuni, ki jih je nekaj let zatem potrdil še Ed Witten, največja avtoriteta današnje teoretične fizike.

    Hawking prizna zmoto

    A Hawking se ni dal prepričati. Še vedno je vztrajal pri svojih trditvah. Iskal je nove argumente, da bi rešil svoje stališče, ki je z leti postalo vse bolj osamljeno. Nato je zbolel še za pljučnico in zdravniki so se več mesecev bojevali za njegovo življenje. A kot že večkrat se tudi tokrat ni vdal. Kmalu po vrnitvi iz bolnišnice je imel julija 2004 predavanje na fizikalni konferenci v Dublinu, na katerem je trdil, da je končno razrešil informacijski paradoks.

    A na presenečenje vseh na medijsko odmevnem predavanju ni pokazal, da se informacije izgubijo v črni luknji, ampak je priznal, da se je trideset let motil. Vendar je imelo njegovo predavanje še en presenetljiv obrat. Zatrdil je, da se ni motil samo on, ampak tudi njegovi kritiki, še posebej Susskind. A na predavanju je predstavil le osnovno idejo nove interpretacije, ki je temeljila na hipotezi obstoja mnogih vzporednih svetov. Fiziki še vedno čakajo na natančnejše izračune, ki bi potrdili ali ovrgli Hawkingovo novo idejo o delovanju črnih lukenj.

    PUSTITE KOMENTAR

    Please enter your comment!
    Please enter your name here