DVIJE nove studije nedavno objavljene u dvama znanstvenim časopisima predstavile su moguće rješenje za paradoks crnih rupa, koji je prije gotovo pola stoljeća prvi objavio britanski fizičar Stephen Hawking.
Moguće rješenje problema fizičari su nazvali "kvantne dlake". Ako se ono potvrdi, bit će to veliki pomak u teorijskoj fizici.
Što je Hawkingov paradoks?
Godine 1976. Hawking je otkrio da će izolirana crna rupa emitirati zračenje na temperaturi koja je određena njezinom masom, nabojem i kutnom količinom gibanja, odnosno spinom, ali na način koji je neovisan o početnom stanju crne rupe. Ona će s vremenom izračiti svu energiju koja je u nju upala i nestati.
To bi podrazumijevalo da će objekt, kada jednom upadne u crnu rupu, zauvijek nestati, zajedno sa svim informacijama kodiranim u njemu. No, to je u suprotnosti s temeljnim pravilom klasične i kvantne fizike prema kojem određeno stanje sustava u jednom trenutku određuje njegovu vrijednost u nekom drugom trenutku.
U ovom kontekstu termin "informacija" koristi se za označavanje svih podataka o svim pojedinostima određenog stanja. Teza da se informacije moraju sačuvati znači da bi se detalji koji odgovaraju ranijem vremenu uvijek morali moći rekonstruirati u kasnijem trenutku. Drugim riječima, na temelju sadašnjih informacija o stanju nekog sustava mora se moći rekonstruirati ranije stanje iz kojeg je sadašnje proizašlo.
Ćelave i dlakave crne rupe
Šezdesetih godina prošlog stoljeća fizičar John Archibald Wheeler, raspravljajući o činjenici da o crnim rupama nemamo puno opazivih podataka, odnosno da ih možemo u potpunosti opisati samo na temelju njihove mase, spina i naboja, zaključio je da su crne rupe ćelave, odnosno da "crne rupe nemaju dlake". Njegov teorem postao je poznat kao "teorem bez dlaka".
No, koautor istraživanja profesor Xavier Calmet i njegovi suradnici smatraju da su crne rupe složenije, odnosno da su dlakave. Oni smatraju da materija, kada se urušava u crnu rupu, u njezinom gravitacijskom polju ostavlja slab otisak. Taj otisak naziva se "kvantnom dlakom", a predstavlja mehanizam kojim bi se informacije mogle očuvati tijekom kolapsa crne rupe. Prema ovoj teoriji, dvije crne rupe s identičnim masama i polumjerima, ali s različitim unutarnjim sastavom, suptilno bi se razlikovale u svojim gravitacijskim poljima.
Dvije studije istog tima
U prvom radu, objavljenom u časopisu Physical Review Letters, profesor Xavier Calmet s Fakulteta matematičkih i fizičkih znanosti Sveučilišta u Sussexu i profesor Stephen Hsu sa Sveučilišta Michigan State pokazali su da su crne rupe složenije nego što se prvobitno mislilo te da imaju gravitacijska polja koja sadrže informacije o tome kako su nastale.
Utvrdili su da tvar koja kolabira u crnu rupu ostavlja svojevrstan kod, odnosno trag u gravitacijskom polju izvan crne rupe koji se naziva "kvantna dlaka".
Autori u zaključku rada pišu da je kvantno stanje vanjskog gravitacijskog polja crne rupe određeno njezinim unutarnjim stanjem, što omogućuje da to unutarnje stanje utječe na Hawkingovo zračenje koje se stvara na horizontu događaja. Horizont događaja omeđuje crnu rupu i predstavlja granicu nakon koje se više nijedno tijelo, pa ni svjetlost, ne može osloboditi gravitacije crne rupe. Iz rada proizlazi da se informacije o crnoj rupi šire na mnoge grane konačnog stanja zračenja crne rupe te da igraju ulogu u njezinu isparavanju.
U drugom radu, koji se nadovezuje na prvi, objavljenom u časopisu Physics Letters B, isti je tim napisao da kvantne dlake rješavaju Hawkingov informacijski paradoks crne rupe.
"Naše rješenje ne zahtijeva nikakvu spekulativnu ideju; umjesto toga naše istraživanje pokazuje da se te dvije teorije (opća teorija relativnosti i kvantna mehanika) mogu koristiti za dosljedne izračune za crne rupe i objasniti kako se informacije pohranjuju bez potrebe za radikalnom novom fizikom", rekao je Calmet.
Objašnjavajući otkriće "kvantne dlake", Roberto Casadio, profesor teorijske fizike na Sveučilištu u Bologni, rekao je:
"Ključni aspekt je da crne rupe nastaju kolapsom kompaktnih objekata, a u tom slučaju, prema kvantnoj teoriji, nema apsolutnog razdvajanja između unutrašnjosti i izvanjskog dijela crne rupe. U klasičnoj teoriji horizont događaja crne rupe djeluje kao savršena jednosmjerna membrana koja ne ispušta ništa van i stoga je vanjština ista za sve crne rupe određene mase.
To je klasični teorem bez dlaka. Međutim, u kvantnoj teoriji stanje materije koja se urušava i formira crnu rupu nastavlja utjecati na stanje njezine bliske okoline na način koji je kompatibilan sa sadašnjim eksperimentalnim granicama. To je ono što je poznato kao 'kvantna dlaka'", objasnio je Casadio.
Rješenje bez velike promjene paradigme
Calmet je za Phys.Org rekao da su se crne rupe dugo smatrale savršenim laboratorijem za istraživanja kako bi se Einsteinova opća teorija relativnosti i kvantna mehanika mogle spojiti u jednu univerzalnu teoriju koja bi vrijedila uvijek i svuda.
Naime, opća teorija relativnosti odlično opisuje međudjelovanja objekata u makrosvijetu velikih masa i velikih udaljenosti kakav čine planeti, zvijezde i galaksije. S druge strane kvantna mehanika odlično opisuje zbivanja na mikrorazini atoma i molekula. No problemi nastaju u situacijama u kojima se ta dva svijeta preklapaju, primjerice u crnim rupama i velikom prasku, gdje postoje goleme mase na mikroskopskim razinama. Rješenje koje bi spojilo ove dvije teorije, neka nova, objedinjujuća teorija, već je desetljećima svojevrsni sveti gral fizike.
"U znanstvenoj zajednici općenito se pretpostavljalo da bi za rješavanje ovog paradoksa bila potrebna ogromna promjena paradigme u fizici, što bi znanstvenike natjeralo na moguću preformulaciju kvantne mehanike ili opće relativnosti. No mi smo otkrili, a mislim da je to posebno uzbudljivo, da to nije potrebno", rekao je Calmet.
Nisu svi fizičari uvjereni u rješenje
Nažalost, ne postoji jasan način da se ova teorija testira astronomskim promatranjima jer bi gravitacijske fluktuacije, odnosno "dlake crne rupe", bile premale da bi se mogle izmjeriti. U znanosti je eksperimentalna provjera krucijalna da bi se teorija potvrdila. No rad će vjerojatno privući pozornost zajednice teorijskih fizičara i proći brojne dodatne provjere.
Profesor Toby Wiseman, teorijski fizičar s Imperial Collegea u Londonu, za Guardian je opisao istraživanje kao "dobar posao", no ipak je napomenuo da nije uvjeren da je ono razriješilo desetljećima star paradoks.
Istaknuo je da rad sugerira da bi moglo biti moguće dobiti neke dodatne informacije o tome što se nalazi unutar crnih rupa, no da nije pokazao da bi opisani fenomen mogao objasniti cjelokupnu informaciju koja je očito izgubljena.
"To nisu pokazali, a to je suština paradoksa", rekao je.