Znanstvenici tvrde da su riješili najveći paradoks crnih rupa

PREMA NOVOM znanstvenom radu, međunarodni tim znanstvenika uspio je riješiti najveći paradoks crnih rupa, poznat kao Hawkingov paradoks gubitka informacija.

Naime, novo istraživanje, objavljeno 6. ožujka u časopisu Physics Letters B, pokazalo je da informacije o tome kako su nastale crne rupe ne nestaju u crnim rupama. Te informacije mogle bi biti sadržane u zračenju u okolici crnih rupa, popularno nazvanom 'kvantna kosa', što pak znači da bi se na temelju njih moglo dešifrirati iz kakvih su tijela crne rupe nastale i što su sve progutale. Time bi bili zadovoljeni zahtjevi klasične i kvantne fizike prema kojima informacije u svemiru ne bi smjele nestajati.

Kako nastaju crne rupe?

Crne rupe su tijela koja nastaju urušavanjem materije u velikim zvijezdama, značajno većim od Sunca. Kada takvim zvijezdama ponestane nuklearnog goriva, njihov unutarnji tlak, stvaran u procesima fuzije, oslabi te prevladaju sile gravitacije i počne urušavanje materije. Zvijezda tada eksplodira u obliku supernove, a ono što ostane je crna rupa nešto manje mase. Crne rupe zauzimaju mnogo manji prostor od zvijezda iz kojih su nastale, a materija u njihovom središtu je stisnuta do točke koja se naziva singularitetom. Ovu gustoću možemo nazrijeti ako pokušamo zamisliti zvijezdu 10 puta veće mase od Sunca zbijenu u sferu promjera New Yorka.

Manje zvijezde na kraju svog života nemaju dovoljnu masu da bi stvorile crne rupe jer sile gravitacije u njima nisu dovoljno jake da bi nadvladale nuklearne sile u materiji od koje su sastavljene. One obično završavaju kao neutronske zvijezde goleme gustoće, ali ne tolike da bi formirale crne rupe. Tu vrijedi pravilo da ako ostatak jezgre zvijezde nakon eksplozije supernove ima masu manju od oko 3.2 mase Sunca, tada se formira neutronska zvijezda, a ako je ostatak masivniji, urušit će se u crnu rupu.

Crne rupe su sfere koje imaju toliko snažnu gravitaciju da ništa što im se dovoljno približi više ne može pobjeći od njih, uključujući najbržu stvar u svemiru - svjetlost. Ploha oko crne rupe iz koje više nema povratka naziva se horizontom događaja. Njega možemo zamisliti kao mjesto u rijeci u blizini vodopada nakon kojeg nas više nikakvo plivanje uzvodno, protiv struje ne može spasiti.

Hawkingovo zračenje

U početku su se crne rupe smatrale jednostavnim tijelima koja imaju samo tri svojstva – masu, kutnu količinu gibanja, odnosno zamah i električni naboj.

Slavni fizičar John Wheeler opisao je taj nedostatak razlikovnih karakteristika rekavši da "crne rupe nemaju kosu".

U prvoj polovici 20. stoljeća smatralo se da iz crnih rupa nikada ništa ne izlazi. Međutim to se promijenilo 1974. kada je britanski znanstvenik Stephen Hawking ustvrdio da crne rupe zrače. To zračenje kasnije je postalo poznato kao Hawkingovo zračenje.

Kako nastaje to zračenje? Prema kvantnoj mehanici, princip neodređenosti dozvoljava da se u praznom prostoru stalno stvaraju parovi čestica i antičestica. U normalnim okolnostima one se vrlo brzo sudare, anihiliraju i nestanu. Međutim vrlo blizu horizonta događaja neke od tih čestica koje nastaju u parovima mogla bi progutati crna rupa, dok bi druge mogle odletjeti u svemir. Kvantno-mehanička priroda prostor vremena koji je zakrivljen masom crne rupe čini da one čestice koje upadnu u crnu rupu imaju negativnu energiju (antičestice), što znači da oduzimaju masu crnoj rupi. One koje pobjegnu su čestice s pozitivnom energijom i sačinjavaju Hawkingovo zračenje (grafika dolje). U ovom procesu, koji je užasno spor, crne rupe gube masu dok istovremeno zrače Hawkingovo zračenje. To se može usporediti s isparavanjem vode iz lonca na štednjaku. Što je crna rupa veća, to je njezino isparavanje sporije. Drugim riječima, veće crne rupe su hladnije i manje zrače, a manje toplije te zrače brže. Neke manje crne rupe već su isparile tijekom trajanja svemira, dok će druge, velike nestati dugo nakon nestanka posljednjih zvijezda u svemiru.

Kada bi crne rupe uistinu bile jednostavna tijela, bez 'kose', to bi značilo da iz njih ne bismo mogli doznati gotovo nikakve informacije o zvijezdama iz kojih su nastale. Naime, ako su jedine informacije koje znamo o njima njihova masa, zamah i električni naboj, onda ne znamo gotovo ništa – mnoge različite zvijezde mogu zadovoljavati ta tri svojstva. No, izvorna zvijezda iz koje je nastala crna rupa složen je astrofizički objekt koji se sastoji od kompliciranog aranžmana protona, elektrona i neutrona koji se udružuju i formiraju elemente koji grade njezin kemijski sastav.

Tu dolazimo do paradoksa gubitka informacija. Što su u fizikalnom kontekstu informacije? To su, među ostalim, podaci o aranžmanu čestica. Primjerice, atomi ugljika mogu se posložiti tako da čine grafit ili da čine dijamant. Atomi su isti, a razlika je u tome kako su posloženi, što nazivamo informacijom. Kada ne bi postojale takve informacije, u svemiru bi sve bilo bezlično.

Pravila kvantne fizike kažu da se informacije ne mogu jednostavno izbrisati iz svemira. Prema zakonima kvantne fizike, iz određenog stanja nekog sustava, odnosno tijela, možemo dobiti informacije o tome što je bilo prije i što će nastati poslije. To je zapisano u valnim funkcijama čestica. Primjerice, možete zapaliti novinski list papira tako da se on pretvori u pepeo. Na prvi pogled čini se da su informacije o listu papira izgubljene. Međutim kada bismo zabilježili sve detalje u toj reakciji, od sastava i količine pepela, preko vatre do dima, teorijski bismo mogli rekonstruirati list sa svim slovima na njemu.

Međutim, kako smo naveli, ako su crne rupe stvarno jednostavne, odnosno ćelave, onda iz njih ne možemo dobiti gotovo nikakve informacije o tijelima iz kojih su nastale.

Hawkingovo zračenje tu je odškrinulo prozor za mogućnost da informacije ne nestaju za sva vremena. Međutim problem je u tome što on u svojim izračunima nije uzeo u obzir kvantnu gravitaciju, pa je ispalo da je to zračenje termalno, a ono također ne sadrži korisne informacije.

Teorijski fizičar Ivica Smolić s PMF-a u Zagrebu kaže da se zračenje smatra termalnim kada su njegova termalna svojstva u potpunosti opisana samo temperaturom.

"U takvom zračenju ne možemo 'pohraniti' ili 'pročitati' informaciju o procesu u kojem je ono formirano. U klasičnoj termodinamici idealizirano tijelo koje emitira termalno zračenje poznato je kao 'crno tijelo', što nije povezano s pojmom crnih rupa, ali Hawkingovo otkriće nam je ponudilo još jedan primjer crnog tijela - crne rupe", tumači Smolić.

Kada još uzmemo u obzir da tijekom dugih vremenskih razdoblja crne rupe potpuno ispare kroz Hawkingovo zračenje i na kraju ostane samo vakuum, konačan rezultat mogao bi biti da su sve informacije o svemiru i njegovu razvoju potpuno nestale, a to nije u skladu sa zakonima fizike. Štoviše, da bismo uopće mogli razumjeti svemir, nužan uvjet je da se informacije ne mogu gubiti. Naprotiv, teoretski bi morala postojati mogućnost da prikupimo sve informacije o svim česticama koje trenutno postoje u svemiru i da na temelju njih ispričamo detaljnu povijest cijelog svemira od Velikog praska na dalje.

Zato je problem naizglednog nestajanja informacija u crnim rupama nazvan Hawkingovim paradoksom.

Rješenja za paradoks

Znanstvenici su u zadnjih nekoliko desetljeća predlagali različita rješenja za ovaj paradoks.

Prema jednima, informacije bi u crnim rupama doista mogle biti zauvijek izgubljene, međutim to bi značilo da bismo morali potpuno preformulirati zakone fizike.

Prema drugima, crne rupe bi mogle roditi manje crne rupe koje bi mogle postati sjeme nekih novih svemira pa bi informacije mogle završiti u njima.

Prema trećima, informacije bi mogle ostati zapisane na površini crne rupe poput svojevrsnog holograma. No to bi također podrazumijevalo da trebamo promijeniti shvaćanje svemira; među ostalim, to bi moglo značiti da je cijeli svemir hologram.

No neki znanstvenici smatraju da Hawkingovi izračuni trebaju korekcije, da crne rupe nisu ćelave, već da imaju kosu u kojoj su sadržane naizgled izgubljene informacije.

Pronalaženje 'kose' crnih rupa

Tu dolazimo do nove studije. Naime, Xavier Calmet, profesor fizike na Sveučilištu Sussex, i njegov kolega Steve Hsu, profesor teorijske fizike na Sveučilištu Michigan State, od 2021. rade na rješavanju Hawkingova paradoksa kroz potragu za kosom crnih rupa.

U studiji koja je prethodila ovoj o kojoj je riječ u članku, objavljenoj u ožujku 2022., tim je ustvrdio da crne rupe doista imaju 'kvantnu kosu', u obliku jedinstvenog kvantnog otiska u gravitacijskim poljima koja ih okružuju.

U novom istraživanju tim je analizirao Hawkingove izračune iz 1975., no pritom je u obzir uzeo učinke kvantne gravitacije ( opis gravitacije prema načelima kvantne mehanike), što Hawking nije učinio.

Autori su došli do zaključka da u Hawkingov izračun treba unijeti korekcije za kvantnu gravitaciju.

"Iako su te kvantne gravitacijske korekcije minijaturne, one su ključne za isparavanje crne rupe", rekao je Calmet.

"Uspjeli smo pokazati da ti efekti modificiraju Hawkingovo zračenje tako da ono postaje netermalno. Drugim riječima, uzimajući u obzir kvantnu gravitaciju, zračenje može sadržavati informacije", pojasnio je.

Treba istaknuti da je u novom istraživanju tim napravio još jedan važan korak. Naime, dok je kvantna kosa predstavljena u prethodnom radu Calmeta i Hsua bila apstraktan matematički koncept, tim je sada identificirao točan fizički fenomen pomoću kojeg informacije bježe iz crne rupe putem Hawkingovog zračenja i kako bi ih vanjski promatrač mogao pronaći. To trenutno nije moguće učiniti jer bi za to bio potreban izuzetno osjetljiv instrument kakav je za sada nemoguće napraviti. No, Calmet predlaže da bi se teorija mogla provjeriti i razvijati u simulacijama crnih rupa u laboratorijima.

Smolić kaže da je za očekivati da klasična predodžba crne rupe, kao i njena "prva kvantna popravka" u vidu Hawkingovog mehanizma zračenja crne rupe predstavljaju tek najniže aproksimacije potpunog opisa crne rupe unutar neke buduće gravitacijske teorije, koja će nam omogućiti razrješenje ovog prividnog "paradoksa".

"Najnoviji prijedlog opisan u spomenutom radu zvuči plauzibilno iz teorijske perspektive, ali njegovu valjanost ćemo moći prosuditi, kao i kod svih drugih znanstvenih ideja, isključivo pokusom. Nažalost, trenutna tehnologija nije niti izdaleka dovoljna za direktna opažanja finih efekata kao što je to Hawkingovo zračenje, dok pokuse sa simulacijama crnih rupa u laboratoriju valja uzeti sa zrnom soli jer su to ipak samo analogni sustavi", tumači Smolić.