Μεγάλη «τρύπα» στη Φυσική το πρόβλημα της μη διατήρησης της πληροφορίας

ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ

Η πρώτη και μοναδική έως σήμερα φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας και συγκεκριμένα της μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία M87. Την ιστορική φωτογραφία κατέγραψε πέρσι το Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων

Για πρώτη φορά η ανθρωπότητα είδε μια μαύρη τρύπα στις 10 Απρίλη του 2019. Οι ερευνητές του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων (ΤΟΓ), που χρησιμοποιεί ένα δίκτυο συνεργαζόμενων ραδιοτηλεσκοπίων απλωμένων στην υδρόγειο, δημοσίευσαν εικόνες της μαύρης τρύπας, που έχει μάζα 6,5 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ηλιου και βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία M87, ενός γαλαξία σχετικά κοντινού στον δικό μας. Ηταν μια μεγάλη επιστημονική επιτυχία, καθώς είδαμε για πρώτη φορά ένα από τα πιο μυστηριώδη ουράνια σώματα, που είχε προβλεφθεί από τη θεωρία εδώ και δεκαετίες, αλλά δεν το είχαμε δει ποτέ «απευθείας». Οι εικόνες και οι παρατηρήσεις που θα ακολουθήσουν αυτό το επίτευγμα, ίσως προσφέρουν στοιχεία για την απάντηση σε ένα από τα βαθύτερα αινίγματα της Φυσικής.
Το αίνιγμα είναι το «παράδοξο» του τι συμβαίνει στην πληροφορία μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Διερευνώντας αυτό το ερώτημα, οι φυσικοί ανακάλυψαν πως και μόνο η ύπαρξη των μαύρων τρυπών είναι ασύμβατη με τους νόμους της Κβαντομηχανικής. Η επίλυση αυτής της ασυνέπειας ίσως απαιτήσει μια θεμελιώδη εννοιολογική επανάσταση, τόσο θεμελιώδη, όσο η «ανατροπή» της κλασικής Φυσικής από την Κβαντομηχανική. Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν δουλέψει σε διάφορες κατευθύνσεις και ιδέες, αλλά καμιά δεν φαίνεται προς το παρόν ότι μπορεί να λύσει το πρόβλημα. Μελλοντικές παρατηρήσεις του ΤΟΓ, ιδίως αυτές που μπορούν να δείξουν πώς εξελίσσονται οι μαύρες τρύπες στο πέρασμα του χρόνου, αλλά και οι πρόσφατες ανιχνεύσεις συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών από παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων (LIGO), θα μπορούσαν να προσφέρουν σημαντικά δεδομένα και να οδηγήσουν σε μια νέα εποχή τη Φυσική.

Καταβόθρες

Αν και μυστηριώδεις, οι μαύρες τρύπες φαίνεται να βρίσκονται παντού μέσα στο σύμπαν. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις των τελευταίων ετών μέσω του ΤΟΓ και του LIGO, είναι απλώς οι πιο πρόσφατες και ισχυρές αποδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες, παρότι φαντάζουν απίθανες, είναι πραγματικές και αξιοσημείωτα μη σπάνιες. Ομως όταν οι νόμοι της Κβαντομηχανικής εφαρμοστούν στις μαύρες τρύπες οδηγούν σε αντίφαση, αποκαλύπτοντας ένα ελάττωμα στην ισχύουσα διατύπωση αυτών των νόμων, αν όχι βαθύτερα στη θεωρία.
Το πρόβλημα προκύπτει λόγω μιας από τις απλούστερες ερωτήσεις που μπορεί να κάνει κανείς για τις μαύρες τρύπες: Τι συμβαίνει στο υλικό που πέφτει μέσα σ' αυτές; Σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, η ύλη, όπως εκφράζεται ως μάζα και Ενέργεια μπορεί να πάρει πολλές μορφές: σωματίδια μπορούν π.χ. να μεταμορφωθούν σε διαφορετικά είδη σωματιδίων. Αλλά εκείνο που δεν καταστρέφεται ποτέ είναι η κβαντική πληροφορία. Αν γνωρίζουμε την πλήρη κβαντική περιγραφή ενός συστήματος κάποια χρονική στιγμή, τότε θα μπορούμε πάντα να προσδιορίσουμε την κβαντική του περιγραφή, που προηγείται ή έπεται αυτής της χρονικής στιγμής. Τι συμβαίνει στην κβαντική πληροφορία όταν πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα;
Η κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες προέρχεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, που περιγράφει τη βαρύτητα ως προερχόμενη από την καμπύλωση του χώρου και του χρόνου. Συνήθης οπτικοποίηση της θεωρίας είναι μια βαριά μπάλα που κυρτώνει την επιφάνεια ενός τραμπολίνο. Αυτή η στρέβλωση του χωροχρόνου κάνει τις τροχιές των σωμάτων και του φωτός να καμπυλωθούν και αυτό είναι που αποκαλούμε βαρύτητα. Αν μεγάλη ποσότητα μάζας είναι συγκεντρωμένη σε έναν μικρό χώρο, τότε η παραμόρφωση του γειτονικού χωροχρόνου είναι τόσο ισχυρή, που ούτε και το φως μπορεί να ξεφύγει από μια περιοχή γύρω από το σημείο, η οποία αποκαλείται ορίζοντας γεγονότων. Εχουμε δηλαδή μια μαύρη τρύπα. Και αν τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως - ούτε και η πληροφορία - τότε όλα πρέπει να βρίσκονται εγκλωβισμένα μέσα σε αυτό το όριο. Οι μαύρες τρύπες γίνονται κοσμικές καταβόθρες, που παγιδεύουν την πληροφορία μαζί με το φως και τις πιο χειροπιαστές μορφές της ύλης.

Εξάτμιση

Αλλά η ιστορία αυτή γίνεται στην πορεία ακόμη πιο παράξενη. Ισως η μεγαλύτερη ανακάλυψη του Στίβεν Χόκινγκ, να είναι η πρόβλεψη που έκανε το 1974, ότι οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι μαύρες τρύπες καταστρέφουν κβαντική πληροφορία. Σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, ζεύγη «εικονικών σωματιδίων» εμφανίζονται από το «κενό» συνεχώς και οπουδήποτε. Συνήθως, ένα τέτοιο ζεύγος αποτελείται από ένα σωματίδιο και το αντισωματίδιό του, τα οποία ταχύτατα αλληλεπιδρούν και μετασχηματίζονται, αλλά από τα ζεύγη που θα δημιουργηθούν ακριβώς στο άκρο του ορίζοντα γεγονότων, ένα σωματίδιο μπορεί να προκύψει στο εσωτερικό του και ένα στο εξωτερικό του. Το σωματίδιο στο εσωτερικό είναι καταδικασμένο να μείνει εκεί, αλλά το εξωτερικό σωματίδιο μπορεί να διαφύγει, μεταφέροντας μαζί του Ενέργεια. Η αρχή διατήρησης της Ενέργειας λέει ότι με αυτόν τον τρόπο η μαύρη τρύπα χάνει Ενέργεια και έτσι η εκπομπή τέτοιων σωματιδίων κάνει τη μαύρη τρύπα να μικραίνει όσο περνάει ο χρόνος, μέχρι να εξαφανιστεί τελείως. Το πρόβλημα είναι ότι τα διαφεύγοντα σωματίδια, που είναι γνωστά ως ακτινοβολία Χόκινγκ, δεν μεταφέρουν καθόλου πληροφορία σχετική με την ύλη που μπήκε στη μαύρη τρύπα. Ετσι, οι υπολογισμοί του Χόκινγκ φαίνεται να δείχνουν ότι η κβαντική πληροφορία που μπαίνει σε μια μαύρη τρύπα, τελικά καταστρέφεται, αντιβαίνοντας στην Κβαντομηχανική.

Κυοφορία

Αυτό το συμπέρασμα ξεκίνησε μια βαθιά κρίση στη Φυσική, που συνεχίζεται ακόμα. Μεγάλες επιστημονικές πρόοδοι προέκυψαν στο παρελθόν από ανάλογες κρίσεις. Για παράδειγμα, στην αρχή του εικοστού αιώνα, η κλασική Φυσική έδειχνε να προβλέπει την αναπόφευκτη αστάθεια των ατόμων, σε προφανή αντίθεση με τις κυρίαρχες τότε αντιλήψεις περί σταθερής (με τη μεταφυσική έννοια) ύλης. Το πρόβλημα αυτό έπαιξε ρόλο κλειδί στην κβαντική επανάσταση. Η κλασική Φυσική προέβλεπε ότι επειδή τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου αλλάζουν συνεχώς κατεύθυνση, θα έπρεπε να εκπέμπουν συνεχώς φως, χάνοντας Ενέργεια και πέφτοντας τελικά στον πυρήνα. Αλλά το 1913 ο Ν. Μπορ διατύπωσε τη θεωρία ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται μόνο μέσα σε προσδιορισμένες κβαντικές τροχιές και δεν μπορούν να καταλήξουν σπειροειδώς πάνω στον πυρήνα. Αυτή η ριζοσπαστική ιδέα βοήθησε να μπουν οι βάσεις της Κβαντομηχανικής, αποκαλύπτοντας βαθύτερα χαρακτηριστικά και εκφράσεις της ύλης και της κίνησης, που αποτελεί αδιαίρετο χαρακτηριστικό της. Ολο και περισσότερο φαίνεται ότι η κρίση που προκάλεσαν οι μαύρες τρύπες, μπορεί να οδηγήσει σε μια αλλαγή παραδείγματος στη Φυσική, ένα νέο μοντέλο, που θα επιτρέψει την κατανόηση του φυσικού κόσμου σε μεγαλύτερο βάθος, εξηγώντας τα στατιστικά χαρακτηριστικά των κβαντομηχανικών νόμων.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»