Theoretisch fysici Stephen Hawking, Malcolm Perry en Andrew Strominger hebben een oplossing voorgesteld voor de paradox van informatieverlies in zwarte gaten. Dit probleem wordt door veel wetenschappers beschouwd als een van de belangrijkste in de natuurkunde, omdat het wordt geassocieerd met het determinisme van de wereld - hoe het verleden, het heden en de toekomst elkaar beïnvloeden. "Lenta.ru" vertelt de details van de studie.
De essentie van het probleem van de informatieparadox van zwarte gaten is als volgt. Volgens de eenvoudigste versie van de stelling zonder haar worden ongeladen en niet-roterende zwarte gaten beschreven in de ruimtetijd van Schwarzschild gekenmerkt door slechts één parameter - massa. Het woord "haar" wordt in dit geval gebruikt als een metafoor voor andere parameters en werd voorgesteld door de natuurkundige John Wheeler.
De paradox betekent dat er geen manier is om zwarte gaten van gelijke massa van elkaar te onderscheiden. Materie die het zwarte gat binnendringt, verdampt vervolgens door Hawking-straling en het is onduidelijk wat er gebeurt met de informatie die het eerder droeg. In grote lijnen kan dit betekenen, zoals Strominger opmerkte in een interview met redacteur Seth Fletcher voor Scientific American, dat de wereld onbepaald is: het heden bepaalt niet de toekomst en kan niet worden gebruikt om het verleden volledig te reconstrueren.
Hawking kondigde de nieuwe ontdekking voor het eerst aan op 25 augustus 2015 tijdens een conferentie in het Royal Institute of Technology in Stockholm. Vervolgens intrigeerde hij de wetenschappelijke gemeenschap met een artikel in de maak dat gewijd is aan het oplossen van de paradox van het zwarte gat. "Informatie wordt niet binnen opgeslagen, zoals je zou verwachten, maar aan de waarnemingshorizon van een zwart gat", zei de wetenschapper destijds. Hij noemde ook de super-uitzendingen die door de auteurs in het werk werden gebruikt (meer hierover hieronder), waarvan Strominger Hawking inspireerde om het artikel te schrijven. "Het idee is dat superuitzendingen een hologram zijn van vallende deeltjes", zei Hawking. "Ze bevatten alle informatie die anders verloren zou zijn gegaan." De wetenschapper sprak ook over de mogelijkheden om informatie uit zwarte gaten te gebruiken. "Voor alle praktische doeleinden gaat informatie verloren", zei Hawking. Volgens hem,zwarte gaten geven informatie terug in een "chaotische en nutteloze vorm".
In zijn lezing een dag eerder, op 24 augustus, sprak Hawking over zwarte gaten als tunnels naar andere universums. “Als een zwart gat groot genoeg is en roteert, kan het een brug zijn naar een ander universum. Maar als je er doorheen bent gegaan, keer je niet meer terug naar de onze”, zei de natuurkundige. Hawking presenteerde zijn ideeën op de conferentie van 3 september in een voordruk op de website arXiv.org. Hawking's werk zelf, samen met Perry en Strominger geschreven, werd daar op 5 januari 2016 gepubliceerd.
Malcolm Perry, Andrew Strominger en Stephen Hawking (van links naar rechts)
Foto: Anna N. Zytkow / Scientificamerican.com
Eerder (sinds het midden van de jaren zeventig) geloofde Hawking dat informatie niet in zwarte gaten wordt opgeslagen. Over deze kwestie sloten hij en Kip Thorne in 1997 een weddenschap af met de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Preskill. Hawking's kijk op de informatieparadox van het zwarte gat is veranderd met de vooruitgang in de snaartheorie.
Promotie video:
In 1996 demonstreerden Strominger en Kumrun Wafa in het kader van de snaartheorie de afleiding van een uitdrukking voor de entropie van zwarte gaten, voor het eerst thermodynamisch verkregen door de Israëlische fysicus Jacob Bekenstein in 1973. Hun conclusie geeft aan dat de verdamping van zwarte gaten de unitariteit van de kwantummechanica behoudt (geassocieerd met een consistente interpretatie van waarschijnlijkheid), die Hawking eerder in twijfel trok.
In een werk dat in 2005 werd gepubliceerd, probeerde de Britse wetenschapper het behoud van informatie in een zwart gat kwalitatief te verklaren met behulp van de functionele integrale techniek die een ruimte met een triviale topologie overnam. Dezelfde resultaten kwamen voort uit het idee van de AdS / CFT-correspondentie die in 1998 door Juan Maldacena werd voorgesteld in het kader van de snaartheorie. Het is op zijn beurt gebaseerd op het holografische principe dat in 1993 werd voorgesteld door de Nederlandse theoretisch fysicus Gerard t'Hooft (deze wetenschapper publiceerde op 5 september 2015 een voordruk met een alternatieve manier om informatie op te slaan via een zwart gat).
In het nieuwe werk bouwen de wetenschappers voort op onderzoek uit de jaren zestig. Vervolgens stelden natuurkundigen Steven Weinberg en anderen het concept van supervertalingen voor (ze moeten niet worden verward met de term met dezelfde naam die in superwiskunde wordt gebruikt). Daarnaast gebruikten de auteurs de resultaten van Strominger en co-auteurs, waaruit volgde dat het zwarte gat zogenaamd zacht haar heeft. Strominger gebruikte zachte fotonen die bekend zijn uit de kwantumelektrodynamica - kwanta van elektromagnetische straling met lange golflengten die worden gebruikt bij renormalisaties (procedures voor het elimineren van verschillen in de kwantumveldentheorie). Dergelijke deeltjes hebben een lage energie en leiden bij het beschrijven van de vacuümtoestand (met de laagste energie) tot het verschijnen van een nieuwe kwantumtoestand die wordt gekenmerkt door impulsmoment (aangezien het foton er een heeft).
Strominger raakte geïnteresseerd in de vraag of de aanvankelijke kwantumtoestand van het systeem anders zou zijn dan de volgende als we de golflengte van het foton op oneindig zouden instellen (dat wil zeggen, de energie ervan als nul tellen). Berekeningen hebben aangetoond dat de kwantumtoestand van het systeem in dit geval zal veranderen. Zachte gravitonen en fotonen in de limiet van oneindige golflengte bestaan op de grenzen van ruimte-tijd. Toegepast op zwarte gaten, blijkt dat zachte deeltjes gelokaliseerd zijn op de waarnemingshorizon - een driedimensionaal hologram van een vierdimensionaal ruimte-tijdgat.
Wanneer ze het hebben over superuitzendingen, bedoelen wetenschappers transformaties van identieke lichtbundels die bestaan aan de waarnemingshorizon van het zwarte gat. In de jaren zestig werden supervertalingen gebruikt om lichtstralen op oneindig in ruimtetijd te beschrijven, in plaats van de waarnemingshorizon van zwarte gaten. Strominger legde het idee van super broadcasting uit aan de hand van het voorbeeld van een verzameling oneindig lange en identieke rietjes. Als een van hen ten opzichte van de andere omhoog of omlaag wordt bewogen, kan een dergelijke beweging dan als echt worden beschouwd? Onderzoek door wetenschappers heeft op deze vraag een positief antwoord gegeven.
Gerard t'Hooft en Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
“Als je twee zwarte gaten vergelijkt die alleen verschillen door de toevoeging van een zacht foton dat de energie niet verandert, krijg je verschillende zwarte gaten. En dan laat je ze verdampen. In dit geval moeten ze verdampen tot iets anders dan elkaar. We geven de exacte formule, een van de belangrijkste resultaten van ons werk, die de verschillen beschrijft in de kwantumtoestand van een zwart gat, waaraan wel of niet een zacht foton is toegevoegd,”vertelde Strominger aan Scientific American.
De fysicus merkte op dat hij in de loop van het onderzoek 35 veelbelovende problemen heeft kunnen formuleren, waarvan de oplossing tot enkele maanden kan duren. "Als we alle ingrediënten hebben om de kwantumdynamica van zwarte gaten te begrijpen, is het mogelijk om het aantal holografische pixels te tellen", zei hij. In de toekomst gaan Strominger en co-auteurs geen supervertalingen bestuderen, maar superrotaties. Gebruikmakend van de analogie met identieke oneindig lange rietjes, kunnen we zeggen dat in dit geval deze laatste van plaats wisselen met elkaar (het ene rietje draait om het andere).
"Ze (superrotaties) zijn een ander soort symmetrie op oneindig, waarbij je de lichtstralen niet alleen op en neer beweegt, maar je ze ook ten opzichte van elkaar laat bewegen," zei Strominger. Wetenschappers begonnen zo'n tien jaar geleden dergelijke transformaties te bestuderen en pas in de afgelopen twee jaar is er vooruitgang geboekt bij het begrijpen ervan. Hawking, die op 8 januari zijn 74e verjaardag vierde, zal zijn visie op zijn nieuwe werk presenteren in lezingen die op 26 januari en 2 februari worden uitgezonden door BBC Radio 4.
Andrey Borisov
