Ο φυσικός Stephen Hawking αντιστρέφει τη θέση του στις μαύρες τρύπες

Από το New Scientist, 14 Ιουλίου 2004

Αφού επί, σχεδόν, 30 χρόνια υποστήριζε ότι μια μαύρη τρύπα καταστρέφει οποιαδήποτε πληροφορία εισερχόταν μέσα σε αυτήν, ο Stephen Hawking λέει ότι έκανε λάθος. Φαίνεται ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να επιτρέψουν στις πληροφορίες που βρίσκονται μέσα στα αντικείμενα, που εισήλθαν κάποτε μέσα τους, να ξεφύγουν από αυτήν.

Ο Hawking θα παρουσιάσει την πιο πρόσφατη ανακάλυψή του στην 17η Διεθνή Συνάντηση για τη Γενική Σχετικότητα και Βαρύτητα στην Ιρλανδία στις 21 Ιουλίου.

"Μια μαύρη τρύπα εμφανίζεται να σχηματίζεται αλλά αργότερα διαλύεται και ελευθερώνει τις πληροφορίες που είχαν πέσει μέσα σε αυτήν. Έτσι μπορούμε να είμαστε βέβαιοι για το παρελθόν και να προβλέψουμε το μέλλον", αναφέρει ο Hawking.

Αυτή η μεταβολή της άποψης του θα κοστίσει στον Hawking, ένα φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, μια εγκυκλοπαίδεια λόγω ενός στοιχήματος που έβαλε το 1997. Αλλά το πιο σημαντικό είναι ότι κατάφερε να λύσει έναν από τους πιο δύσκολους γρίφους στη σύγχρονη φυσική, γνωστού ως παράδοξο της πληροφορίας μιας μαύρης τρύπας.

Ο Hawking αυτή την θέση του, για το παράδοξο της πληροφορίας που χάνεται, την δημιούργησε το 1976. Τότε υπολόγισε ότι μόλις σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα, αρχίζει χάνει μάζα ακτινοβολώντας ενέργεια. Αυτή η "ακτινοβολία Hawking", όπως ονομάζεται, δεν περιέχει  καμία πληροφορία για την ύλη μέσα στη μαύρη τρύπα και μόλις εξατμιστεί όλη η μαύρη τρύπα, χάνονται κι όλες οι πληροφορίες της ύλης που έπεσε μέσα σε αυτήν.

Αλλά αυτό συγκρούεται με τους νόμους της κβαντικής φυσικής, οι οποίοι λένε ότι τέτοιες πληροφορίες δεν μπορούν ποτέ να χαθούν εντελώς. Ο Hawking είχε το επιχείρημα ότι τα μεγάλα βαρυτικά πεδία των μαύρων οπών εξασθενούν κάπως τους νόμους της κβαντικής φυσικής.

Πολλοί φυσικοί προσπάθησαν να λύσουν αυτό το παράδοξο. Αρχές του 2004, ο Samir Mathur του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Οχάιου και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι εάν μια μαύρη τρύπα μοντελοποιηθεί σύμφωνα με τη θεωρία χορδών - στην οποία το σύμπαν αποτελείται από μικροσκοπικές, παλλόμενες χορδές παρά από σημειακά σωματίδια - τότε η μαύρη τρύπα γίνεται ένα γιγάντιο κουβάρι χορδών. Και η ακτινοβολία Hawking που εκπέμπεται από αυτό το "μπερδεμένο" κουβάρι περιέχει τις πληροφορίες για το εσωτερικό περιεχόμενο μιας μαύρης τρύπας.

Τώρα, φαίνεται ότι ο Hawking έχει, επίσης, μια απάντηση για το αίνιγμα και η κοινότητα των φυσικών περιμένει με ανυπομονησία να ακούσει τον Hawking, στη 17η Διεθνή Διάσκεψη. 

Αν και ο Hawking δεν έχει αποκαλύψει ακόμα λεπτομερώς τα μαθηματικά που κρύβονται πίσω από την ανακάλυψή του, υπάρχει το περίγραμμα της ανακάλυψης του σε ένα σεμινάριο που έδωσε ο Hawking στο Κέιμπριτζ. Σύμφωνα με το συνάδελφο του Gary Gibbons, έναν ειδικό του Καίμπριτζ πάνω στη φυσική των μαύρων οπών, που ήταν στο σεμινάριο, οι μαύρες τρύπες του Hawking , αντίθετα από τις κλασικές μαύρες τρύπες, δεν έχουν έναν καθορισμένο με σαφήνεια ορίζοντα γεγονότων που κρύβει οτιδήποτε μέσα σε αυτές από τον εξωτερικό κόσμο.

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.

Στην ουσία, οι νέες του μαύρες τρύπες δεν είναι του είδους εκείνου που τα καταπίνουν όλα . Αντ' αυτού, συνεχίζουν να ακτινοβολούν για πολύ καιρό, και τελικά ανοίγουν για να αποκαλύψουν τις πληροφορίες που κρύβουν μέσα. "Είναι πιθανόν αυτό που παρουσίασε στο σεμινάριο να είναι η λύση", λέει ο Gibbons.

Εάν πετύχει στη διάσκεψη να πείσει τους συμμετέχοντες τότε, κατά ειρωνικό τρόπο, θα χάσει ένα στοίχημα που είχε βάλει αυτός και ο θεωρητικός φυσικός του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας (Caltech) Kip Thorne,  εναντίον του John Preskill, επίσης του Caltech. 

Είχαν τότε υποστηρίξει ότι οι πληροφορίες που 'καταπίνονται' από μια μαύρη τρύπα είναι κρυμμένες για πάντα, και δεν μπορούν ποτέ να αποκαλυφθούν.

"Επειδή ο Stephen έχει αλλάξει την άποψή του και τώρα θεωρεί ότι οι μαύρες τρύπες δεν καταστρέφουν τις πληροφορίες, περιμένω αυτόν και τον Kip να δώσει το στοίχημα", λέει ο νικητής Preskill. Οι δύο τους αναμένεται να στείλουν στον Preskill μια εγκυκλοπαίδεια της επιλογής του από στην οποία μπορούν να ανακτηθούν οι πληροφορίες.

Ως γνωστόν το θεώρημα εξάλειψης των ιχνών ('no hair' theorem) είναι αυτό που αποδεικνύει ότι τα μόνα χαρακτηριστικά που επιβιώνουν όταν ένα αντικείμενο καταρρεύσει προς μια μαύρη τρύπα, είναι η μάζα του και ο ρυθμός περιστροφής του.

Τα τρία στοιχήματα του Stephen Hawking

Ο Stephen Hawking έχει βάλει τα τελευταία χρόνια τρία στοιχήματα με τους συναδέλφους του Kip Thorne και John Preskill, σχετικά με την ύπαρξη και τις ιδιότητες των μελανών οπών. Και μάλιστα έχει χάσει και τα τρία στοιχήματα, τα δύο την περασμένη δεκαετία ενώ το τρίτο τώρα. 

Το 1975, που ήταν ακόμη ανοιχτό το πρόβλημα αν υπάρχουν μελανές τρύπες στο σύμπαν ή αν αυτές αποτελούν απλώς ένα θεωρητικό αποτέλεσμα χωρίς φυσική σημασία, ο Stephen Hawking έβαλε στοίχημα με τον αμερικανό αστροφυσικό Kip Thorne σχετικά με τη φύση του αστρικού αντικειμένου που ονομάζεται Κύκνος Χ-1. Αν το αντικείμενο αυτό ήταν μια μελανή οπή, ο Hawking θα πλήρωνε στον Thorne μια ετήσια συνδρομή στο περιοδικό Πεντχάουζ, ενώ αν δεν ήταν, ο Thorne θα του πλήρωνε τρία χρόνια συνδρομή στο σατιρικό περιοδικό Ιδιωτικός Ντετέκτιβ.

Οι παρατηρήσεις που επακολούθησαν συγκέντρωσαν ισχυρότατες ενδείξεις ότι το αντικείμενο αυτό είναι όντως μελανή οπή και το 1990 ο Hawking αποφάσισε να παραδεχθεί ότι έχασε το στοίχημα, με έναν πολύ εκκεντρικό μάλιστα τρόπο. Όχι μόνο πλήρωσε τη συνδρομή, αλλά με τη βοήθεια ενός κοινού φίλου μπήκε στο γραφείο του Thorne και έβαλε το δακτυλικό του αποτύπωμα στο έγγραφο του στοιχήματος, ως ένδειξη παραδοχής της ήττας του.

Το στοίχημα όμως αυτό δεν αντανακλούσε τις επιστημονικές απόψεις του Hawking. Στην πραγματικότητα πίστευε περισσότερο από οποιονδήποτε άλλον στην ύπαρξη τους. Απλά έβαλε το στοίχημα γιατί αν κέρδιζε θα χαιρόταν αν έχανε θα χαιρόταν γιατί υπήρχαν μαύρες τρύπες.

Τα άλλα δύο στοιχήματα, όμως, βασίζονταν στα συμπεράσματα του Hawking για τις πιο παράδοξες ιδιότητες των μελανών οπών. Στους ειδικούς είναι γνωστό ότι η μαύρη τρύπα δεν είναι ένα φυσικό αντικείμενο αλλά μόνο μια σφαιρική, στην απλούστερη περίπτωση, επιφάνεια, στο κέντρο της οποίας συμβαίνει κάτι πραγματικά ασύλληπτο. Εκεί ο χώρος τελειώνει και ο χρόνος παύει να υπάρχει, γι' αυτό και το σημεία αυτό ονομάζεται ανωμαλία. Αν ένα υλικό σώμα περάσει μέσα από την ανωμαλία, επανεμφανίζεται με τυχαίες ιδιότητες, γεγονός που αναβαίνει στους γνωστούς σε εμάς νόμους της φύσης, σύμφωνα με τους οποίους τα διάφορα γεγονότα δεν συμβαίνουν τυχαία αλλά το καθένα αποτελεί αποτέλεσμα των όσων προηγήθηκαν. Για να αποφύγουν αυτό το «παράδοξο» πολλοί επιστήμονες, μεταξύ των οποίων και ο Hawking, είχαν υποθέσει ότι στη φύση δεν υπάρχουν ανωμαλίες έξω από μελανές οπές.

Στην περίπτωση αυτή το πρόβλημα παύει να υπάρχει, αφού κάθε υλικό σώμα που εισέρχεται σε μια μελανή οπή δεν είναι δυνατόν να βγει πάλι έξω, και έτσι δεν μας ενδιαφέρει π παθαίνει στο εσωτερικό της.

Ένα άλλο πρόβλημα, σχετικό με το παραπάνω, είναι το π συμβαίνει με τα σώματα που εισέρχονται μέσα σε μια μαύρη οπή. Σύμφωνα με τη θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Hawking, τα σώματα αυτά χάνουν όλες τις υπόλοιπες ιδιότητες τους εκτός από τη μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο. Με άλλα λόγια, αν ρίξουμε σε μια μαύρη οπή μια σιδερένια σφαίρα δέκα κιλών και ένα ξύλινο κάθισμα επίσης δέκα κιλών, το αποτέλεσμα θα είναι ακριβώς το ίδιο, δηλαδή να μεγαλώσει η μάζα της μελανής οπής κατά δέκα κιλά. Κάθε πληροφορία όμως για τον τρόπο κατασκευής και το χρώμα του καθίσματος ή για το υλικό από το οποίο αποτελείται η σφαίρα θα έχει χαθεί.

Αυτό το γεγονός όμως παραβιάζει βασικούς νόμους της Φυσικής, σύμφωνα με τους οποίους η πληροφορία που χρειάζεται για να διαπιστώσουμε με ποιον τρόπο αυξήθηκε η μάζα της μελανής οπής δεν μπορεί να χαθεί, γι' αυτό και ονομάστηκε «παράδοξο της πληροφορίας».

Το 1991, ένα χρόνο αφού είχε χάσει το πρώτο στοίχημα, ο Hawking στοιχημάτισε ξανά με τον Thorne και το γνωστό φυσικό, τον John Preskill, ότι δεν είναι δυνατόν να σχηματισθούν στη φύση «γυμνές» ανωμαλίες. Το έπαθλο του στοιχήματος ήταν 100 λίρες Αγγλίας και ένα αθλητικό μπλουζάκι. Έξι όμως χρόνια αργότερα, ο αμερικανός επιστήμονας Μάθιου Τσόπτουικ έδειξε, χρησιμοποιώντας ένα υπερυπολογιστή, ότι αν επιλέξει κανείς προσεκτικά τις συνθήκες σης οποίες συρρικνώνεται ένα αστέρι που έχει φτάσει στο τέλος της ζωής του, είναι δυνατόν να σχηματιστεί μια γυμνή ανωμαλία που δεν περιβάλλεται από μελανή οπή. Έτσι, τον Φεβρουάριο του 1997, ο Hawking έχασε και το δεύτερο στοίχημα που είχε βάλει με τον Thorne.

Ο Hawking, όμως, παρά τη φυσική του αδυναμία, είναι γνωστός για τον πολύ ισχυρό χαρακτήρα του. Έτσι, την ίδια ημέρα που πλήρωσε το στοίχημα, θέλησε να «πατσίσει» με τους δύο συναδέλφους του, βάζοντας ένα νέο στοίχημα. Τη φορά αυτή στοιχημάτισε μια εγκυκλοπαίδεια ότι η θεωρία του είναι σωστή και ότι κάθε χαρακτηριστικό των σωμάτων που πέφτουν σε μια μελανή οπή χάνεται.

Αλλά φαίνεται ότι ήταν γραφτό να χάσει και το τρίτο στοίχημα. Όχι μόνο ο Samir Mathur - ένας φυσικός του Πανεπιστημίου του Οχάιο - βρήκε ισχυρές ενδείξεις ότι το παράδοξο της πληροφορίας απλώς δεν είναι παράδοξο, αφού οι πληροφορίες για τη δομή και τα χαρακτηριστικά των σωμάτων που πέφτουν σε μια μαύρη οπή φαίνεται ότι «αποθηκεύονται» στο εσωτερικό της αλλά το παραδέχτηκε και ο ίδιος ο Hawking.

Γνωστή είναι και η φράση στους κύκλους των φυσικών μια μαύρη τρύπα δεν αφήνει πίσω της ούτε τρίχα, με την έννοια ότι δεν αφήνει προεκτάσεις, ίχνη. Το θεώρημα αυτό της εξαλειψης ιχνών έχει μεγάλη πρακτική σημασία, γιατί περιορίζει παρά πολύ τους δυνατούς τύπους που μπορεί να έχουν οι μαύρες τρύπες.

Το θεώρημα αυτό σημαίνει, επίσης, ότι : μια πολύ μεγάλη ποσότητα πληροφοριών που αφορούσε το αρχικό αντικείμενο χάνεται, όταν σχηματίζεται η μαύρη τρύπα, αφού το μόνο που μπορούμε να μετρήσουμε από αυτό μετά το σχηματισμό της είναι η μάζα και ο αριθμός περιστροφής του.

Επομένως οι μαύρες τρύπες δεν αφήνουν πίσω τους τρίχες - ίχνη. Βέβαια όλα αυτά είναι θεωρίες τις οποίες δεν μπορούμε να τις αποδείξουμε πειραματικά αφού δεν έχουμε τη δυνατότητα να πάμε σε μια μαύρη τρύπα. Ας ελπίσουμε όμως και φυσικά ευχή όλων μας είναι, κάποτε να τα καταφέρουμε!

Αναφορά: Βάρβογλης-ΒΗΜΑ