Άπειρος σκουπιδοτενεκές

Ο θεωρητικός χορδών Vijay Balasubramanian παλεύει με τους σκουπιδοτενεκέδες του σύμπαντος:μαύρες τρύπες. Η έρευνά του για τη σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και στο Κέντρο Μεταπτυχιακών Σπουδών του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης αμφισβητεί τη φαινομενική απώλεια πληροφοριών παρουσία μαύρων τρυπών. Αυτό το έργο είναι μόνο μια πτυχή του εντυπωσιακά μεγάλου φάσματος των αναζητήσεών του, οι οποίες εκτείνονται από τη δομή του χωροχρόνου έως τη γνωστική «αίσθηση του τόπου» στο ανθρώπινο μυαλό. Στην παρακάτω επεξεργασμένη συνέντευξη, ο Balasubramanian λέει στον Nautilus γιατί οι μαύρες τρύπες μπορεί να μην είναι η άπειρη αποθήκη πληροφοριών που έχουν φτιαχτεί.

Τι είναι μια μαύρη τρύπα;
Εάν έχετε αρκετή ύλη συγκεντρωμένη σε μια μικρή περιοχή του χώρου, η ύλη καμπυλώνει τον χώρο και τον χρόνο με τέτοιο τρόπο που τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει. Η πιθανότητα ανακαλύφθηκε αρχικά από τον Karl Schwarzschild κατά την επίλυση των εξισώσεων του Αϊνστάιν για τη θεωρία της γενικής σχετικότητας το 1915. Μέσα σε μια μαύρη τρύπα, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που προσπαθείτε και επιταχύνετε, όλα τα μέλλοντα δείχνουν προς τη μοναδικότητα της μαύρης τρύπας, μια περιοχή του διαστήματος που είναι άπειρα παραμορφωμένο και έχει όγκο που εξαφανίζεται.

Μήπως αυτό κάνει τις μαύρες τρύπες τους απόλυτους κάδους σκουπιδιών;
Στο επίπεδο της κλασικής θεωρίας της βαρύτητας, ναι. Στην εξίσωση του Αϊνστάιν που περιγράφει τη θεωρία, λαμβάνετε την παράξενη ιδιότητα ότι μόλις μπείτε μέσα δεν μπορείτε να βγείτε έξω. Ωστόσο, ακριβώς στη μοναδικότητα, όπου η βαρύτητα θα γινόταν απείρως ισχυρή, η κλασική θεωρία της βαρύτητας καταρρέει.

Είναι εκεί που η κβαντική θεωρία γίνεται σημαντική;
Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί πίστευαν ότι τα κβαντομηχανικά φαινόμενα θα γίνουν σημαντικά μόνο κοντά στη μοναδικότητα. Αλλά περίπου τότε, ο θεωρητικός φυσικός Jacob Bekenstein έδειξε ότι μια μαύρη τρύπα φέρει εντροπία, σε αναλογία με την περιοχή του ορίζοντα. Ο ορίζοντας είναι το όριο που σηματοδοτεί τη διαίρεση μεταξύ μιας μαύρης τρύπας και του υπόλοιπου σύμπαντος. Περίπου την ίδια εποχή, ο Stephen Hawking έγραψε μια εργασία που πρότεινε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν επίσης, σαν να είναι ζεστές και να έχουν θερμοκρασία. Αυτή η ακτινοβολία ονομάζεται πλέον ακτινοβολία Hawking.

Πώς δημιουργείται η ακτινοβολία;
Στην κβαντική θεωρία, ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων -όπως το ηλεκτρόνιο και ο συνεργάτης του, το ποζιτρόνιο- αναδύονται και βγαίνουν στο κενό του χώρου. Κοντά στον ορίζοντα, ένα από αυτά τα σωματίδια θα έπεφτε στη μαύρη τρύπα και το άλλο θα έτρεχε στο διάστημα και θα φαινόταν ότι η μαύρη τρύπα ακτινοβολεί. Επειδή ακτινοβολεί υλικό, η μαύρη τρύπα χάνει ενέργεια στο σύμπαν και η μάζα της μειώνεται. Τελικά η μαύρη τρύπα εξατμίζεται εντελώς. Οι μεγάλες μαύρες τρύπες, όπως αυτή στο κέντρο του γαλαξία μας, χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο από την ηλικία του σύμπαντος για να εξατμιστούν. Τα μικρότερα χρειάζονται μικρότερο χρόνο. Αλλά σε κάθε περίπτωση, βγάζετε πράγματα από τον κάδο σκουπιδιών.

Λοιπόν, οι μαύρες τρύπες δεν είναι τελικά οι αποθήκες των υπολειμμάτων του Κόσμου;
Στην πραγματικότητα, εξακολουθούν να είναι. Σύμφωνα με τον τρόπο που το οραματίστηκε ο Χόκινγκ, η ακτινοβολία είναι εντελώς τυχαία - κάθε φωτόνιο ή σωματίδιο φωτός που εκπέμπει η μαύρη τρύπα βγαίνει ανεξάρτητα από κάθε άλλο σωματίδιο, επομένως δεν υπάρχουν πληροφορίες για τη μαύρη τρύπα στην ακτινοβολία. Ανεξάρτητα από το πόσο προσεκτικά κοιτάξετε την ακτινοβολία Hawking, δεν μπορείτε να πείτε τίποτα για το τι έπεσε στη μαύρη τρύπα. Οι πληροφορίες χάνονται.

Αυτό δημιουργεί πρόβλημα;
Ο Χόκινγκ αποδέχτηκε ότι η απώλεια πληροφοριών είναι απαραίτητη συνέπεια της ύπαρξης μαύρων τρυπών, αλλά πολλοί άνθρωποι δεν είναι ικανοποιημένοι με αυτή τη λύση γιατί σημαίνει ότι εγκαταλείπουμε ένα κεντρικό αξίωμα της κβαντικής μηχανικής - ότι οι πληροφορίες διατηρούνται πάντα. Για να εγκαταλείψουμε αυτήν την αρχή, θα έπρεπε να τροποποιήσουμε την κβαντική θεωρία μάλλον εκτενώς. Και η κβαντική θεωρία, όπως έχει διατυπωθεί τώρα, λειτουργεί πολύ καλά. Μαζί με τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, είναι μία από τις δύο μεγάλες ανακαλύψεις στη φυσική του 20ού αιώνα.

Υπάρχει λοιπόν λύση;
Πιθανώς. Η κβαντική θεωρία περιγράφει τις μικροσκοπικές καταστάσεις ενός σωματιδίου. Η γενική σχετικότητα είναι μια μακροσκοπική περιγραφή του χώρου και του χρόνου. Ίσως όταν η γενική σχετικότητα συγχωνευθεί με την κβαντική θεωρία, οι υποατομικές, κβαντομηχανικές ιδιότητες του χωροχρόνου θα επιλύσουν το παζλ. Ίσως αυτές οι υποατομικές λεπτομέρειες να χαθούν στη χονδροειδή, μακροσκοπική περιγραφή της βαρύτητας από τη θεωρία του Αϊνστάιν.

Υπήρξε κάποια πρόοδος στο πάντρεμα της κβαντικής θεωρίας και της βαρύτητας;
Ναί. Στην πραγματικότητα, η αντιμετώπιση ενός παράδοξου όπως αυτό οδηγεί συχνά σε νέες λύσεις στη φυσική.

Στη δεκαετία του 1990, οι επιστήμονες που χρησιμοποιούσαν τη θεωρία χορδών, η οποία επιχειρεί να ενοποιήσει την κβαντική θεωρία με τη βαρύτητα, βρήκαν κάτι εκπληκτικό. Έδειξαν μαθηματικά ότι ένα τρισδιάστατο σύμπαν που περιέχει μια ειδική κατηγορία μαύρης τρύπας, που διέπεται μόνο από τη βαρύτητα, είναι ισοδύναμο με ένα 2D σύμπαν στο οποίο δεν υπάρχει βαρύτητα, αλλά όλα τα σωματίδια και τα πεδία υπακούουν στους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Δεδομένου ότι η κβαντική θεωρία διατηρεί πάντα πληροφορίες, οι πληροφορίες δεν χάνονται ποτέ στο 2D σύμπαν. Και λόγω της ισοδυναμίας των δύο συμπάντων, το τρισδιάστατο σύμπαν με τις μαύρες τρύπες πρέπει επίσης να διατηρεί πληροφορίες. Κανείς όμως δεν είναι σίγουρος πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό.

Ποια πιστεύετε ότι είναι η λύση;
Είναι πιθανό η ακτινοβολία Hawking να κωδικοποιεί πληροφορίες για τη μαύρη τρύπα τελικά.

Σε μια πρόσφατη εργασία, οι συνάδελφοί μου και εγώ εξετάζουμε τις διαφορετικές εσωτερικές, κβαντικές καταστάσεις μιας μαύρης τρύπας. Προτείνουμε ότι ο διαχωρισμός στην ενέργεια μεταξύ των διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων μπορεί να είναι τόσο μικροσκοπικός που θα χρειαζόταν πολύ μεγάλος, σχεδόν άπειρος χρόνος για να αναλυθεί η ακτινοβολία Hawking και να προσδιοριστεί το περιεχόμενο της μαύρης τρύπας.

Με αυτή την έννοια λοιπόν, η μαύρη τρύπα χρησιμεύει ως κάδος σκουπιδιών για εξαιρετικά μεγάλα χρονικά διαστήματα. Για μια μαύρη τρύπα που ζυγίζει όσο ο ήλιος, αυτή θα ήταν μια περίοδος πολύ μεγαλύτερη από την τρέχουσα ηλικία του σύμπαντος. Έτσι, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς αυτό είναι για πάντα. Αλλά τελικά, πριν τελειώσει το σύμπαν, η μαύρη τρύπα χύνει το περιεχόμενό της, ανακατεύεται και ανακυκλώνεται.

Ο Ron Cowen είναι ανεξάρτητος επιστημονικός συγγραφέας στο Silver Spring, Md., ο οποίος ειδικεύεται στην αστρονομία και τη φυσική.