Λύθηκε το παράδοξο της πληροφορίας στις μαύρες τρύπες;

Από το Scientific American, Οκτώβριος 2004

Τον Ιούλιο του 2004 σε ένα συνέδριο στο Δουβλίνο ο διάσημος θεωρητικός φυσικός Stephen Hawking ανακοίνωσε στην κοινότητα των φυσικών, ότι είχε λύσει το παράδοξο των πληροφοριών στις μαύρες τρύπες, έναν βαθύ γρίφο της κβαντικής φυσικής και της βαρύτητας, που ο ίδιος αποκάλυψε πριν 30 χρόνια. Εντούτοις, αν και παρουσίασε μια περίληψη της νέας θεωρίας του στο 17ο Συνέδριο πάνω στη Γενική Σχετικότητα, δεν έχει δώσει ακόμα στη δημοσιότητα μια ερευνητική εργασία απαριθμώντας όλα τα μαθηματικά βήματα που βρίσκονται πίσω από το γενικό του συλλογισμό. "Την περιμένουμε, λέει ο φυσικός Joe Polchinski του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Santa Barbara".

Το παράδοξο της πληροφοριών προκύπτει από δύο αντιφατικές ιδιότητες των μαύρων οπών. Αν γίνει κλασσική ανάλυση, δηλαδή χωρίς να λάβουμε υπόψη την κβαντομηχανική, τότε οτιδήποτε πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότος μιας μαύρης τρύπας χάνεται για πάντα από το Σύμπαν.   Τίποτα - ούτε το φως ούτε καμιά πληροφορία - δεν μπορεί να αντισταθεί στη δύναμη της ισχυρής βαρύτητας μιας μαύρης τρύπας. Ο Hawking όμως ανακάλυψε μια κβαντική ρωγμή το 1974 σε αυτά τα 'τείχη' της θεωρίας, όταν συμπέρανε ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει στην πραγματικότητα να εκπέμπουν έναν τυχαίο μικρό αριθμό κβάντων θερμικής ακτινοβολίας (που τώρα ονομάζεται ακτινοβολία Hawking).

Το πρόβλημα, όπως υπογραμμίζεται σε μια άλλη εργασία του Hawking το 1976, είναι το τυχαίο, το οποίο παραβιάζει μια βαθιά θεμελιώδη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής γνωστή ως μοναδιαιότητα (unitarity). Στην ουσία, η μοναδικότητα  δηλώνει ότι οι πληροφορίες πρέπει να διατηρούνται: εάν μια εγκυκλοπαίδεια πέσει μέσα σε μια μαύρη τρύπα και αργότερα η μάζα του εκπεμφθεί στο περιβάλλον με τη μορφή ακτινοβολίας, όπως είναι η ακτινοβολία Hawking, τότε η ακτινοβολία αυτή πρέπει να περιέχει, σε γενικές γραμμές, όλες τις πληροφορίες που κωδικοποιήθηκαν στην εγκυκλοπαίδεια. (Φυσικά, οι πληροφορίες θα είναι τόσο ανακτήσιμες στην πράξη όπως και οι πληροφορίες σε μια εγκυκλοπαίδεια αποτεφρωμένη). Αλλά το τυχαίο της ακτινοβολίας Hawking εξαλείφει την πληροφορία - μια έκβαση που πολλοί φυσικοί βρήκαν αμφισβητήσιμη.

"Δεν πιστεύω το αποτέλεσμα του Hawking το 1976, αλλά δεν ξέρω τι πήγε λάθος στους υπολογισμούς",  λέει ο πανεπιστημιακός θεωρητικός των χορδών Andrew Strominger του Χάρβαρντ. Περίπου, το 1996, ο  Strominger μαζί με τον Cumrun Vafa, ανακάλυψε έναν τρόπο για να αναλύσει τις μαύρες τρύπες χρησιμοποιώντας τη μαθηματική μέθοδο της θεωρίας χορδών. Συγκεκριμένα έδειξε ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να θεωρηθεί ότι συνίσταται από ένα πλήθος p-βρανών. Αυτές σύμφωνα με τη θεωρία του μπορούν να εκπέμψουν και να απορροφήσουν σωματίδια όπως οι μαύρες τρύπες. Η ανάλυση έδειξε ότι η μοναδικότητα, και συνεπώς οι πληροφορίες, διατηρούνται κατά τη διάρκεια της εξάτμισης των μαύρων οπών (η διαδικασία που εμπλέκει τις χορδές είναι πραγματικά ενωτική). Δυστυχώς, οι υπολογισμοί της θεωρίας χορδών δεν αποκαλύπτουν τι πάει λάθος με τους υπολογισμούς του Hawking το 1976. Είτε το επιχείρημά του είναι ανακριβές (αλλά οι φυσικοί το ονομάζουν "απλό και όμορφο") ή μια από τις υποθέσεις της θεωρίας είναι ανακριβής (που θα ήταν μια βαθιά ανακάλυψη για τη φύση του σύμπαντος).

Η νέα εργασία του Hawking χρησιμοποιεί μια διαφορετική τεχνική από την ανάλυση του 1976  και στηρίζεται στην πρόσφατη έρευνα από τον πανεπιστημιακό θεωρητικό Juan Maldacena του Princeton. Χοντρικά, ο Hawking λέει ότι η μοναδιαιότητα και οι πληροφορίες διατηρούνται τελικά ικανοποιητικά εάν περιμένετε αρκετό καιρό ώστε να εξατμιστεί η μαύρη τρύπα εντελώς. Μόνο στις ενδιάμεσες περιόδους, όταν εξατμίζεται ακόμα η μαύρη τρύπα, υπάρχει το φαινόμενο της απώλειας των πληροφοριών. Αλλά η ανάλυση δεν εξετάζει λεπτομερώς πως προκύπτουν ή αναδύονται οι πληροφορίες ή πως το αποτέλεσμα μπορεί να συμφιλιωθεί είτε με την ανάλυση του 1976 είτε με τους πιο πρόσφατους υπολογισμούς της θεωρίας χορδών.

Και έτσι πολλοί φυσικοί έξυναν τα κεφάλια τους. "Ήμουν εκεί στο Δουβλίνο, αλλά δεν κατάλαβε το βασικό κλειδί της ανάλυσης, αλλά ούτε και οι συνάδελφοι που μίλησα", παρατήρησε ο Jacob Bekenstein του εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ. "Μπορεί να χρειαστούν χρόνια οι ειδικοί για να φτάσουν στην αποδεκτή εξήγηση", λέει ο Kip Thorne του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας. Μερικοί εκφράζουν τη στεναχώρια τους για τον τρόπο της ανακοίνωσης, προτού καν να γραφτεί οποιαδήποτε εργασία.

Ορισμένοι φυσικοί συμφωνούν πως το θέμα δεν έχει κλείσει ακόμα έστω και αν υπάρχει η εγκυρότητα των απόψεων του Hawking μαζί με την επίκληση της θεωρίας των χορδών. Άλλοι είναι ευτυχείς που ο Hawking συμφωνεί τώρα με αυτό που έλεγαν οι θεωρητικοί των χορδών επί μια δεκαετία, αν και για τους δικούς τους λόγους.

Μερικοί, όπως ο Bekenstein, θεωρούν ότι το παράδοξο των πληροφοριών είχε τακτοποιηθεί πολύ πριν από την ανακοίνωση του Hawking. Ο φυσικός Cumrun Vafa του Χάρβαρντ σκέφτεται ότι απαιτείται πολύ δουλειά για να επιλυθεί οριστικά το παράδοξο: "Υπάρχουν τόσες πολλές πτυχές στο ζήτημα της μοναδιαιότητα των μαύρων οπών, που είναι δύσκολο να πιστέψουμε ότι λύθηκε από ένα απλό ντοκουμέντο, ασχέτως ποιος την έγραψε. Η ετυμηγορία δεν έχει βγει ακόμα".