Γιατί το παζλ Μαύρης Τρύπας του Στίβεν Χόκινγκ παραμένει αινιγματικό

Ο διάσημος Βρετανός φυσικός Στίβεν Χόκινγκ, ο οποίος πέθανε σήμερα στα 76 του, ήταν κάτι σαν άνθρωπος του στοιχήματος, μπαίνοντας τακτικά σε φιλικά στοιχήματα με τους συναδέλφους του για βασικά ζητήματα της θεωρητικής φυσικής. «Αισθάνθηκα όταν συναντηθήκαμε για πρώτη φορά με τον Stephen ότι θα απολάμβανε να του φέρονται ασεβώς», έγραψε νωρίτερα σήμερα στο Twitter ο John Preskill, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. «Λοιπόν, στη μέση μιας επιστημονικής συζήτησης θα μπορούσα να παρέμβω:«Τι σας κάνει τόσο σίγουρος για αυτό, κύριε Ξέρτε τα όλα;» γνωρίζοντας ότι ο Stephen θα απαντούσε με τα μάτια του να τρεμοπαίζουν:«Θέλετε να στοιχηματίσετε;»

Και στοίχημα ότι το έκαναν. Το 1991, ο Hawking και ο Kip Thorne στοιχημάτισαν στον Preskill ότι οι πληροφορίες που πέφτουν σε μια μαύρη τρύπα καταστρέφονται και δεν μπορούν ποτέ να ανακτηθούν. Ονομάζεται παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα, αυτή η προοπτική απορρέει από την ανακάλυψη ορόσημο του Χόκινγκ το 1974 σχετικά με τις μαύρες τρύπες - περιοχές αναπόφευκτης βαρύτητας, όπου ο χωροχρόνος καμπυλώνεται απότομα προς ένα κεντρικό σημείο που είναι γνωστό ως μοναδικότητα. Ο Χόκινγκ είχε δείξει ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι πραγματικά μαύρες. Η κβαντική αβεβαιότητα τους αναγκάζει να εκπέμπουν μια μικρή ποσότητα θερμότητας, που ονομάζεται «ακτινοβολία Χόκινγκ». Χάνουν μάζα κατά τη διαδικασία και τελικά εξατμίζονται. Αυτή η εξάτμιση οδηγεί σε ένα παράδοξο:Οτιδήποτε πέφτει σε μια μαύρη τρύπα φαινομενικά θα χαθεί για πάντα, παραβιάζοντας την «ενότητα» — μια κεντρική αρχή της κβαντικής μηχανικής που λέει ότι το παρόν διατηρεί πάντα πληροφορίες για το παρελθόν.

Ο Χόκινγκ και ο Θορν υποστήριξαν ότι η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μια μαύρη τρύπα θα ήταν πολύ απελπιστικά ανακατεμένη για να ανακτήσει οποιαδήποτε χρήσιμη πληροφορία σχετικά με το τι έπεσε σε αυτήν, ακόμη και κατ' αρχήν. Ο Preskill στοιχηματίζει ότι οι πληροφορίες με κάποιο τρόπο ξεφεύγουν από τις μαύρες τρύπες, παρόλο που οι φυσικοί θα χρειάζονταν πιθανώς μια πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας για να κατανοήσουν τον μηχανισμό πίσω από το πώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό.

Οι φυσικοί νόμιζαν ότι έλυσαν το παράδοξο το 2004 με την έννοια της συμπληρωματικότητας της μαύρης τρύπας. Σύμφωνα με αυτή την πρόταση, πληροφορίες που διασχίζουν τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας αντανακλώνται προς τα έξω και περνούν μέσα, για να μην ξεφύγουν ποτέ. Επειδή κανένας μόνος παρατηρητής δεν μπορεί ποτέ να βρίσκεται τόσο μέσα όσο και έξω από τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας, κανείς δεν μπορεί να παρακολουθήσει και τις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα και δεν προκύπτει αντίφαση. Το επιχείρημα ήταν αρκετό για να πείσει τον Χόκινγκ να παραχωρήσει το στοίχημα. Κατά τη διάρκεια μιας ομιλίας του Ιουλίου 2004 στο Δουβλίνο της Ιρλανδίας, παρουσίασε στον Preskill την όγδοη έκδοση του Total Baseball:The Ultimate Baseball Encyclopedia , "από το οποίο μπορούν να ανακτηθούν πληροφορίες κατά βούληση."

Ο Thorne, ωστόσο, αρνήθηκε να παραχωρήσει, και φαίνεται ότι είχε δίκιο που το έκανε. Το 2012, μια νέα ανατροπή στο παράδοξο εμφανίστηκε. Κανείς δεν είχε εξηγήσει με ακρίβεια πώς θα έβγαιναν οι πληροφορίες από μια μαύρη τρύπα και αυτή η έλλειψη συγκεκριμένου μηχανισμού ενέπνευσε τον Joseph Polchinski και τρεις συναδέλφους του να επανεξετάσουν το πρόβλημα. Η συμβατική σοφία είχε από καιρό υποστηρίξει ότι μόλις κάποιος περνούσε τον ορίζοντα γεγονότων, σιγά-σιγά θα αποσυναρμολογούνταν από την ακραία βαρύτητα καθώς έπεφταν προς τη μοναδικότητα. Ο Polchinski και οι συν-συγγραφείς του υποστήριξαν ότι αντ' αυτού, οι παρατηρητές που έπεφταν θα αντιμετώπιζαν κυριολεκτικά ένα τείχος φωτιάς στον ορίζοντα των γεγονότων, που καίγονταν πριν φτάσουν ποτέ κοντά στη μοναδικότητα.

Στην καρδιά του παζλ του τείχους προστασίας βρίσκεται μια σύγκρουση μεταξύ τριών θεμελιωδών αξιωμάτων. Η πρώτη είναι η αρχή της ισοδυναμίας της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν:Επειδή δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ της επιτάχυνσης λόγω βαρύτητας και της επιτάχυνσης ενός πυραύλου, μια αστροναύτης που ονομάζεται Αλίκη δεν θα πρέπει να αισθάνεται τίποτα κακό καθώς διασχίζει έναν ορίζοντα μαύρης τρύπας. Το δεύτερο είναι η ενότητα, που σημαίνει ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν. Τέλος, υπάρχει μια τοποθεσία, η οποία υποστηρίζει ότι γεγονότα που συμβαίνουν σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου μπορούν να επηρεάσουν μόνο κοντινά σημεία. Αυτό σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής θα πρέπει να λειτουργούν όπως αναμένεται μακριά από μια μαύρη τρύπα, ακόμα κι αν καταρρέουν σε κάποιο σημείο μέσα στη μαύρη τρύπα — είτε στη μοναδικότητα είτε στον ορίζοντα γεγονότων.

Για να λυθεί το παράδοξο, ένα από τα τρία αξιώματα πρέπει να θυσιαστεί και κανείς δεν μπορεί να συμφωνήσει σε ποιον πρέπει να πάρει το τσεκούρι. Η απλούστερη λύση είναι να καταρρεύσει η αρχή της ισοδυναμίας στον ορίζοντα γεγονότων, δημιουργώντας έτσι ένα τείχος προστασίας. Όμως αρκετές άλλες πιθανές λύσεις έχουν προταθεί τα επόμενα χρόνια.

Για παράδειγμα, λίγα χρόνια πριν από το χαρτί για τα τείχη προστασίας, ο Samir Mathur, θεωρητικός χορδών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο, έθεσε παρόμοια ζητήματα με την αντίληψή του για τις μαύρες τρύπες. Τα Fuzzball δεν είναι άδεια κοιλώματα, όπως οι παραδοσιακές μαύρες τρύπες. Είναι γεμάτα χορδές (το είδος από τη θεωρία χορδών) και έχουν επιφάνεια σαν αστέρι ή πλανήτη. Εκπέμπουν επίσης θερμότητα με τη μορφή ακτινοβολίας. Το φάσμα αυτής της ακτινοβολίας, βρήκε ο Mathur, ταιριάζει ακριβώς με την πρόβλεψη για την ακτινοβολία Hawking. Η «εικασία fuzzball» του επιλύει το παράδοξο δηλώνοντας ότι είναι μια ψευδαίσθηση. Πώς μπορούν να χαθούν πληροφορίες πέρα ​​από τον ορίζοντα συμβάντων, εάν δεν υπάρχει ορίζοντας συμβάντων;

Ο ίδιος ο Χόκινγκ συμμετείχε στη συζήτηση για το τείχος προστασίας με παρόμοιο τρόπο μέσω μιας εργασίας δύο σελίδων, χωρίς εξισώσεις που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org στα τέλη Ιανουαρίου 2014 — μια σύνοψη των άτυπων παρατηρήσεων που είχε κάνει μέσω Skype για μικρό συνέδριο την προηγούμενη άνοιξη. Πρότεινε μια επανεξέταση του ορίζοντα γεγονότων. Αντί για μια καθορισμένη γραμμή στον ουρανό από την οποία τίποτα δεν μπορούσε να ξεφύγει, πρότεινε ότι θα μπορούσε να υπάρχει ένας «φαινομενικός ορίζοντας». Οι πληροφορίες περιορίζονται μόνο προσωρινά πίσω από αυτόν τον ορίζοντα. Οι πληροφορίες τελικά ξεφεύγουν, αλλά σε τέτοια ανακατεμένη μορφή που δεν μπορούν ποτέ να ερμηνευθούν. Παρομοίασε την εργασία με την πρόβλεψη καιρού:«Δεν μπορεί κανείς να προβλέψει τον καιρό πριν από λίγες μέρες».

Το 2013, ο Leonard Susskind και ο Juan Maldacena, θεωρητικοί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και το Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών, αντίστοιχα, έκαναν μια ριζική προσπάθεια να διατηρήσουν την τοποθεσία που ονόμασαν «ER =EPR». Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, ίσως αυτά που πιστεύουμε ότι είναι μακρινά σημεία στο χωροχρόνο να μην είναι τελικά τόσο μακριά. Ίσως η εμπλοκή δημιουργεί αόρατες μικροσκοπικές σκουληκότρυπες που συνδέουν φαινομενικά μακρινά σημεία. Με σχήμα λίγο σαν χταπόδι, μια τέτοια σκουληκότρυπα θα συνέδεε το εσωτερικό της μαύρης τρύπας απευθείας με την ακτινοβολία Hawking, έτσι τα σωματίδια που βρίσκονται ακόμα μέσα στην τρύπα θα συνδέονται άμεσα με σωματίδια που διέφυγαν εδώ και πολύ καιρό, αποφεύγοντας την ανάγκη να περάσουν πληροφορίες. ο ορίζοντας γεγονότων.

Οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη καταλήξει σε συναίνεση για οποιαδήποτε από αυτές τις προτεινόμενες λύσεις. Είναι ένας φόρος τιμής στη μοναδική ιδιοφυΐα του Χόκινγκ που συνεχίζουν να διαφωνούν για το παράδοξο των πληροφοριών της μαύρης τρύπας τόσες πολλές δεκαετίες αφότου το πρότεινε για πρώτη φορά η δουλειά του.