Een maand nadat Stephen Hawking en zijn collega's een paper over zwarte gaten hadden gepubliceerd, worstelen natuurkundigen nog steeds om tot een consensus te komen. Sommigen begroeten zijn nieuwste werk als een nieuwe manier om de puzzel van het zwarte gat op te lossen; anderen zijn onzeker over haar gezag. De eerste ondersteunen de bewering van de preprint dat het een veelbelovende manier biedt om het mysterie van de zogenaamde informatieparadox over het zwarte gat op te lossen die Hawking meer dan 40 jaar geleden heeft afgeleid.
"Ik denk dat er een algemene opwinding is dat we op een andere manier naar bekende dingen kunnen kijken, we zullen de impasse doorbreken", zegt Andrew Strominger, een natuurkundige aan de Harvard University in Cambridge, co-auteur van een van de nieuwste werken. Strominger presenteerde de resultaten van zijn werk op 18 januari 2016 aan de Universiteit van Cambridge, waar Hawking is gevestigd.
Velen zijn er niet van overtuigd dat deze benadering de paradox kan oplossen, hoewel ze toegeven dat het verschillende problemen in de natuurkunde belicht. Halverwege de jaren 70 ontdekte Hawking dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn, maar een beetje straling uitzenden. Volgens de kwantumfysica zouden uit kwantumfluctuaties net voorbij de waarnemingshorizon - het punt van geen terugkeer van een zwart gat - paren deeltjes moeten ontstaan. Sommige van deze deeltjes verlaten de zwaartekracht van het zwarte gat, maar voeren een deel van de massa mee, waardoor het zwarte gat langzaam samentrekt en uiteindelijk verdwijnt.
In een artikel dat in 1976 werd gepubliceerd, gaf Hawking aan dat de ontsnappende deeltjes - nu bekend als Hawking-straling - volledig willekeurige eigenschappen zouden hebben. Als gevolg hiervan, wanneer het zwarte gat verdwijnt, gaat de daarin opgeslagen informatie verloren voor het universum. Maar dit resultaat past niet in de wetten van de fysica, volgens welke informatie, net als energie, behouden blijft, wat aanleiding geeft tot een paradox. "Dit werk heeft voor theoretisch natuurkundigen meer slapeloze nachten veroorzaakt dan enig ander werk in de geschiedenis", herinnert Strominger zich.
Het was een vergissing, legde hij uit, om het potentieel van lege ruimte om informatie te vervoeren te negeren. In zijn werk, samen met Hawking en derde co-auteur Malcolm Perry, ook van de Universiteit van Cambridge, verandert hij in zachte deeltjes. Dit zijn energiezuinige versies van fotonen, hypothetische deeltjes die bekend staan als gravitonen en andere deeltjes. Ze werden tot voor kort vooral gebruikt voor berekeningen in de deeltjesfysica. Maar de auteurs merken op dat het vacuüm waarin het zwarte gat zich bevindt niet vrij hoeft te zijn van deeltjes - alleen energie - en daarom kunnen zachte deeltjes erin aanwezig zijn in een energieneutrale toestand.
Alles wat in een zwart gat valt, ze gaan door, laat een afdruk - een afdruk - achter op deze deeltjes. "Als je in een vacuüm zit en inademt, stel dat je veel zachte gravitonen inademt", zegt Strominger. Na deze verstoring verandert het vacuüm rond het zwarte gat en wordt de informatie uiteindelijk bewaard.
Het artikel stelt vervolgens een mechanisme voor om deze informatie over te brengen naar het zwarte gat - dat theoretisch de paradox oplost. Om dit te doen, berekenden de auteurs hoe de gegevens moesten worden gedecodeerd in een kwantumbeschrijving van de waarnemingshorizon, bekend als het "haar van een zwart gat".
Promotie video:
Lastige overgang
Toch is het werk verre van af. Abhay Ashtekara, die zwaartekracht studeert aan de Universiteit van Pennsylvania in University Park, zegt dat de manier waarop de auteurs informatie overbrengen naar een zwart gat ("zacht haar") niet overtuigend vindt. En de auteurs geven toe dat ze nog niet weten hoe deze informatie vervolgens met Hawking-straling kan worden overgedragen, en dit is een noodzakelijke volgende stap.
Stephen Avery, een theoretisch fysicus aan de Brown University in Providence, Rhode Island, staat sceptisch tegenover de mogelijkheid dat deze benadering de paradox oplost, maar hij gelooft beslist dat het de betekenis van zachte deeltjes zal uitbreiden. Hij merkt op dat Strominger ontdekte dat zachte deeltjes subtiele symmetrieën van bekende natuurkrachten onthullen, 'waarvan sommige bekend zijn bij ons en andere nieuw'.
Andere natuurkundigen zijn optimistischer over de vooruitzichten van deze methode bij het oplossen van de informatieparadox. Sabine Hossenfelder van het Institute for Advanced Study in Duitsland zegt dat de resultaten van "zacht haar", in combinatie met haar eigen onderzoek, controverses rond zwarte gaten, zoals het firewallprobleem, kunnen oplossen. Zie je, er is de vraag of de waarnemingshorizon extreem heet kan worden door Hawking-straling. Dit is in tegenspraak met de algemene relativiteitstheorie van Einstein, volgens welke een waarnemer die door de horizon valt geen plotselinge veranderingen in de omgeving zou opmerken.
'Als het vacuüm verschillende toestanden heeft', zegt Hossenfelder, 'dan kun je informatie in straling omzetten zonder energie aan de horizon te brengen. Daarom zal er geen firewall zijn."