Αν λύθηκε το παράδοξο της πληροφορίας στις μαύρες τρύπες τότε αυτές είναι σαν μπάλες από τούφες χορδών

Από ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου του Ohio, 5 Μαρτίου 2004

Το 1997 τρεις κοσμολόγοι, οι Stephen Hawking και Kip Thorne από τη μια και ο John Preskill από την άλλη, έβαλαν ένα διάσημο στοίχημα. Εάν οι πληροφορίες που εισέρχονται σε μια μαύρη τρύπα παύουν να υπάρχουν -- δηλαδή εάν το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας αλλάζει καθόλου από τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων που εισέρχονται μέσα σε αυτήν.

Η έρευνα του Hawking είχε δείξει ότι τα σωματίδια δεν έχουν καμία επίδραση. Αλλά η θεωρία του παραβίαζε τους νόμους της κβαντομηχανικής και δημιούργησε μια αντίφαση γνωστή ως το "Παράδοξο της Πληροφορίας".

Ένα σχέδιο που δείχνει μια μαύρη τρύπα να περιβάλλεται από ένα δίσκο καυτού αερίου, καθώς και ψυχρότερο αέριο - σκόνης σε σχήμα ντόνατς. Ο φωτεινός μπλε δίσκος πίσω από το ντόνατς οφείλεται στο φθορισμό των ατόμων του σιδήρου καθώς διεγείρονται από ακτίνες-Χ που προέρχονται από το δίσκο του καυτού αερίου.

Τώρα όμως φυσικοί στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιου έχουν προτείνει μια λύση για αυτό το παράδοξο.  Με τη βοήθειας της θεωρίας χορδών, μια θεωρία που υποστηρίζει ότι όλα τα σωματίδια στο σύμπαν αποτελούνται από μικροσκοπικές παλλόμενες χορδές.

Ο Samir Mathur και οι συνάδελφοί του έχουν δημιουργήσει ένα μεγάλο σύνολο εξισώσεων, που προτείνουν ότι οι πληροφορίες συνεχίζουν να υπάρχουν -- συνδεδεμένες σε ένα τεράστιο κουβάρι χορδών,  που πληρούν τη μαύρη τρύπα από τον πυρήνα της έως την επιφάνειά της.

Η ανακάλυψη του Mathur προτείνει ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι ομαλές,  κάποιες οντότητες χωρίς ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπως πιστεύουν εδώ και πολύ καιρό οι επιστήμονες.

Αλλά, είναι μπάλες γεμάτες μπερδεμένες (fuzzballs) χορδές .

Ο Mathur, καθηγητής της φυσικής στο Οχάιο, υποψιάζεται ότι οι Hawking και Thorne δεν έμειναν και τόσο έκπληκτοι από την έκβαση της μελέτης, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nuclear Physics Β.

Στο στοίχημα που είχαν βάλει, ο Hawking, καθηγητής των μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, και ο Thorne, καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο Caltech, στοιχημάτιζαν ότι οι πληροφορίες που εισέρχονται σε μια μαύρη τρύπα καταστρέφονται, ενώ ο Preskill -- επίσης ένας καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο Caltech -- υποστήριζε την αντίθετη άποψη.

"Νομίζω ότι οι περισσότεροι άνθρωποι είχαν μείνει με την ιδέα ότι οι πληροφορίες καταστρέφονται, την εποχή που ήρθε στην επιφάνεια η θεωρία των χορδών το 1995, λέει ο Mathur. "Κι' αυτό γιατί κανείς δεν ήταν σε θέση να αποδείξει ότι οι πληροφορίες επιζούν πριν από αυτή τη μελέτη".

Οι κλασσικές μαύρες τρύπες

Στο κλασσικό μοντέλο για το πώς σχηματίζονται οι μαύρες τρύπες, ένα αντικείμενο πολύ μεγάλης μάζας, όπως είναι ένα τεράστιο άστρο, καταρρέει για να σχηματίσει ένα πολύ μικρό σημείο άπειρης βαρύτητας. Είναι αυτό που ονομάζουμε ανωμαλία μιας μαύρης τρύπας. Μια ορισμένη περιοχή στο διάστημα περιβάλλει αυτή την ανωμαλία, και οποιοδήποτε αντικείμενο που διασχίζει τα σύνορα της περιοχής αυτής - τον ορίζοντα των γεγονότων - έλκεται μέσα στη μαύρη τρύπα, για να μην επιστρέψει ποτέ έξω από αυτήν.

Θεωρητικά, ούτε ακόμη και το φως μπορεί να δραπετεύσει από μια μαύρη τρύπα.

Η διάμετρος του ορίζοντα γεγονότων εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου που τη σχημάτισε. Παραδείγματος χάριν, εάν ο ήλιος καταρρεύσει σε μια ανωμαλία, ο ορίζοντας γεγονότων του θα είχε διάμετρο, περίπου, 3 χιλιόμετρα. Εάν κατέρρεε η Γη τότε θα ήταν μόνο 1 εκατοστό.

Όσον αφορά το τι βρίσκεται στην περιοχή μεταξύ της σημείου της ανωμαλίας και του ορίζοντα γεγονότων του, οι φυσικοί λένε ότι είναι κυριολεκτικά κενός χώρος. Δεν γνωρίζουμε από τι είδους ύλη σχηματίζεται η ανωμαλία, η περιοχή μέσα στον ορίζοντα γεγονότος θεωρείται ότι είναι απαλλαγμένη οποιασδήποτε δομής ή μετρήσιμων χαρακτηριστικών.

Και εκεί βρίσκεται το πρόβλημα.

"Το πρόβλημα με την κλασσική θεωρία είναι ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε συνδυασμό σωματιδίων για να δημιουργήσετε τη μαύρη τρύπα -- πρωτόνια, ηλεκτρόνια, αστέρια, πλανήτες, οτιδήποτε -- και δεν θα υπήρχε καμία διαφορά. Πρέπει να υπάρχουν δισεκατομμύρια τρόποι για να γίνει μια μαύρη τρύπα, όμως με το κλασσικό μοντέλο η τελική κατάσταση του συστήματος είναι πάντα η ίδια", λέει ο Mathur.

Τούτο όμως το είδος της ομοιομορφίας παραβιάζει το νόμο της αντιστρεψιμότητας της κβαντομηχανικής, εξήγησε. Όμως, οι φυσικοί πρέπει να είναι σε θέση να προβλέπουν το τελικό προϊόν οποιασδήποτε διαδικασίας, συμπεριλαμβανομένης και της διαδικασίας που φτιάχνεται μια μαύρη τρύπα, αν ξέρουν τις συνθήκες που τη δημιούργησαν.

Φυσικά, εάν όλες οι μαύρες τρύπες είναι οι ίδιες, τότε δεν μπορεί να προβλεφτεί ποιά ήταν η αρχική κατάσταση που έφτιαξε μια μαύρη τρύπα. Όπως, δεν μπορούν να προβλεφτούν οποιεσδήποτε πληροφορίες για τα σωματίδια που τη δημιούργησαν, αφού χάνονται για πάντα τη στιγμή που σχηματίζεται η μαύρη τρύπα.

"Κανένας πραγματικά δεν το πιστεύει τώρα, αλλά κανένας δεν θα μπορούσε ποτέ να βρει τι πήγαινε λάθος με τα κλασσικά επιχειρήματα", λέει ο Mathur. "Τώρα, όμως, μπορούμε να προτείνουμε τι πήγε λάθος στην εξήγηση της κλασσικής θεωρίας".

Σημαντικό πρόβλημα

Το 2000, οι φυσικοί της θεωρίας χορδών έδωσαν στο Παράδοξο της Πληροφορίας το νούμερο οκτώ στον κατάλογο των δέκα κορυφαίων προβλημάτων της φυσικής, που πρέπει να λυθούν κατά τη διάρκεια της επόμενης χιλιετίας. Αυτή η λίστα των κορυφαίων ερωτημάτων περιλαμβάνει ζητήματα  όπως, ποιά είναι η διάρκεια ζωής ενός πρωτονίου; και πώς μπορεί η κβαντική βαρύτητα να εξηγήσει την προέλευση του σύμπαντος;

Ο Mathur άρχισε να εργάζεται πάνω στο Παράδοξο της Πληροφορίας των μαύρων οπών όταν ήταν βοηθός καθηγητής στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης. Από το 2000, που προσλήφθηκε στο Οχάιο,   δουλεύει αποκλειστικά με το πρόβλημα αυτό.

Μαζί με το μεταδιδακτορικό ερευνητή Oleg Lunin, ο Mathur υπολόγισε τη δομή των αντικειμένων που βρίσκονται ανάμεσα στις καταστάσεις απλών χορδών και των μεγάλων κλασσικών μαύρων οπών. Αντί να υπάρχουν μικροσκοπικά αντικείμενα, στην έρευνα αποδείχθηκαν μεγάλα.

Πρόσφατα, αυτός και δύο άλλοι διδακτορικοί σπουδαστές -- Ashish Saxena και Yogesh Srivastava -- διαπίστωσαν ότι η ίδια εικόνα μιας σφαίρας με μπλεγμένες χορδές συνεχίζει να ισχύει για αντικείμενα που μοιάζουν πολύ με μια κλασική μαύρη τρύπα. Αυτά τα νέα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nuclear Physics Β.

Σύμφωνα με τη θεωρία χορδών, όλα τα θεμελιώδη σωματίδια του σύμπαντος -- πρωτόνια, νετρόνια, και ηλεκτρόνια -- αποτελούνται από διαφορετικούς συνδυασμούς χορδών. Αλλά όσο μικροσκοπικές κι αν είναι οι χορδές, ο Mathur θεωρεί ότι μπορούν να σχηματίσουν μεγάλες μαύρες τρύπες μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται κλασματική τάση.

Οι χορδές μπορούν να τεντώνονται, είπε, αλλά κάθε μία φέρει ένα ορισμένο ποσό τάσης, όπως μια χορδή μιας κιθάρας. Με το φαινόμενο της κλασματικής τάσης, η τάση μειώνεται καθώς η χορδή γίνεται μακρύτερη.

Είναι δε ευκολότερο να τεντωθεί μια μακριά κβαντομηχανική χορδή από ότι μία απλή χορδή. Έτσι όταν πολλές χορδές ενώνονται μαζί, προκειμένου να σχηματίσουν τα πολλά σωματίδια, που είναι απαραίτητα για ένα πολύ ογκώδες αντικείμενο όπως μια μαύρη τρύπα, η συνδυασμένη σφαίρα των χορδών είναι πολύ ελαστική, και επεκτείνεται σε ένα ευρύ χώρο.

Οι διαστάσεις ταιριάζουν

Όταν οι φυσικοί του Οχάιου έφτιαξαν το μαθηματικό τους τύπο για τη διάμετρο μιας 'μπερδεμένης' μαύρης τρύπας φτιαγμένης από χορδές, διαπίστωσαν ότι ταίριαζε με τη διάμετρο του ορίζοντα γεγονότων των μαύρων οπών, όπως αυτή βρίσκεται με τα κλασσικά μοντέλα.

Επειδή η υπόθεση του Mathur προτείνει ότι οι χορδές συνεχίζουν να υπάρχουν μέσα στη μαύρη τρύπα, και η φύση των χορδών εξαρτάται από τα σωματίδια που αποτέλεσαν το αρχικό υλικό της μαύρης οπής, αυτό σημαίνει ότι η κάθε μαύρη τρύπα είναι τόσο μοναδική, όπως είναι τα αστέρια, οι πλανήτες, ή ο γαλαξίας που τη σχημάτισαν. Οι δε χορδές από οποιοδήποτε υλικό που εισέρχεται στη μαύρη τρύπα εκ των υστέρων, θα μπορούν επίσης να είναι ανιχνεύσιμες.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να βρεθούν οι αρχικές συνθήκες μιας μαύρης τρύπας και επομένως οι πληροφορίες επιζούν.