Stephen Hawking kolejny raz rozbudził media obietnicą rychłego wyjaśnienia jednej z największych tajemnic czarnych dziur. Sądzę, że zanim Brytyjczyk podzieli się ze światem swoimi rewelacjami, warto sobie przypomnieć o co w ogóle chodzi z tym znienawidzonym przez fizyków, paradoksem informacyjnym.

Czego Hawking nie zrobił

Moim zdaniem profesor – przy­naj­mniej na razie – nie powie­dział niczego szo­ku­ją­cego. Wia­do­mość podało słynne I Fucking Love Science, aby już za chwilę pochwy­ciły ją wszyst­kie por­ta­liki, łącznie z polskimi. (Na mar­gi­ne­sie. Panowie redak­to­rzy, serio myślicie, że tylko wy odwie­dza­cie tak wielkie witryny jak IFLS? Wszyscy widzą, że zrzy­na­cie tam­tej­sze treści niemal słowo w słowo, a wasz wkład ogra­ni­cza się do prze­kładu anglo­ję­zycz­nych tekstów; zresztą prze­kładu słabego). Wedle niej, cier­piący na stward­nie­nie zanikowe boczne fizyk znowu posta­no­wił rzucić wyzwanie zagadkom czarnych dziur. Dotąd wszystko się zgadza, bowiem podczas wykładu w Sztok­hol­mie Hawking rze­czy­wi­ście zapo­wie­dział, że niebawem opu­bli­kuje swoje naj­now­sze obli­cze­nia i wnioski. Niestety nawiązał on również do zasady holo­gra­ficz­nej, co pismaki uznały za clou poten­cjal­nego przełomu w astro­fi­zyce. Co gorsza, czytając donie­sie­nia oraz wid­nie­jące pod nimi komen­ta­rze, odnio­słem wrażenie jakoby internet przy­pi­sał autor­stwo zasady holo­gra­ficz­nej Ste­phe­nowi Haw­kin­gowi.

Dla tych, którzy tak pomy­śleli, krótkie dementi. Nie, teoria holo­gra­ficzna sama w sobie nie jest niczym nowym, zaś cha­rak­te­ry­styczny uczony na pewno jej nie opra­co­wał, lecz co najwyżej próbuje ją rozwijać. Mając to na uwadze, powta­rzany wszędzie news można zawrzeć w jednym zdaniu: “Hawking dalej coś tam pisze”.

Jak zniszczyć informację

Zanim docze­kamy się kon­kre­tów, wyja­śnijmy sobie co wła­ści­wie teo­re­tycy próbują tak zawzię­cie rozgryźć. Paradoks infor­ma­cyjny to zło w naj­czyst­szej postaci, wyra­sta­jące z niemniej nik­czem­nego zjawiska entropii. Jak na pewno wiecie, wedle tego nie­kwe­stio­no­wa­nego prawidła fizyki, poziom upo­rząd­ko­wa­nia układów pozo­sta­wio­nych samych sobie musi spadać. Lokalnie bieg entropii można odwrócić, ale co do zasady każdy obiekt, od poje­dyn­czej cząstki ele­men­tar­nej do całego wszech­świata, ma swoją datę ważności i powinien obumrzeć.

Ale jak ma się entropia do czarnych dziur? Na tej zagwozdce zatrzy­mali się naj­zna­mie­nitsi astro­fi­zycy lat 70. ubie­głego wieku. Wszystko dlatego, że czarna dziura może wessać nawet naj­bar­dziej nie­upo­rząd­ko­wany układ czego efektem byłoby po prostu powięk­sze­nie jej masy i… zmniej­sze­nie entropii wszech­świata jako całości. Drugim pro­ble­mem było to, że czarna dziura zdawała się trwać w swojej formie przez wiecz­ność, co najwyżej oka­zjo­nal­nie roz­sze­rza­jąc swe gabaryty, co rzecz jasna leżało w oczy­wi­stej sprzecz­no­ści z drugą zasadą ter­mo­dy­na­miki. Wtedy właśnie na scenę wjechał młody Stephen Hawking oraz mniej znany Jacob Beken­stein. Izra­el­skiemu dok­to­ran­towi udało się dowieść, iż horyzont zdarzeń można trak­to­wać jako mani­fe­sta­cję poziomu entropii czarnej dziury. Ilekroć więc materia wpada do dziury, nie­za­wod­nie zwiększa jej entropię, co jed­no­cze­śnie objawia się roz­ro­stem hory­zontu zdarzeń. Drugi dylemat odpadł wraz ze sfor­mu­ło­wa­niem przez Hawkinga jego sławnej kon­cep­cji paro­wa­nia czarnych dziur.
czara dziura informacjeNie wdając się w nie­istotne szcze­góły poprze­stańmy na krótkim przy­po­mnie­niu, że za wszyst­kim stoją wytrą­ca­jące się w prze­strzeni pary cząstek wir­tu­al­nych. Na co dzień są one pozba­wione zna­cze­nia, gdyż zasada zacho­wa­nia energii (dużo dzisiaj tych zasad) wymusza ich natych­mia­stową ani­hi­la­cję, dzięki czemu kosmos wychodzi “na zero”. Jednakże, jeśli taka para cząstek wyłoni się tuż na granicy hory­zontu zdarzeń, dochodzi do rzeczy nie­sły­cha­nej. Jedna z drobin zostaje wcią­gnięta do wnętrza dziury, a druga zamiast ani­hi­la­cji wygrywa życie stając się cząstką rze­czy­wi­stą! Oczy­wi­ście zasada zacho­wa­nia energii nadal działa, więc szczę­śliwa cząstka urze­czy­wist­nia się kosztem masy czarnej dziury. W ten oto sposób zjawiska kwantowe mogą pro­wa­dzić do bardzo bladego i powol­nego pro­mie­nio­wa­nia powierzchni hory­zontu zdarzeń. W efekcie kosmiczne monstrum traci masę i może zniknąć  bo biliar­dach lat, ale jednak.
Niestety pro­mie­nio­wa­nie Hawkinga leczyło dżumę cholerą. Oto przy­czyna. Entropia poniekąd wyznacza upływ czasu, bo gdy zegar tyka ogólny poziom energii i upo­rząd­ko­wa­nia kosmicz­nej areny spada. Jednak mimo to, nie istnieje fizyczny powód, dla którego nie dałoby się zre­kon­stru­ować roz­bi­tego wazonu czy roze­rwa­nej gwiazdy. Posia­da­jąc ultra­no­wo­cze­sny komputer ana­li­zu­jący stan każdej poje­dyn­czej cząstki, hipo­te­tycz­nie mogli­by­śmy odtwo­rzyć dzieje dowol­nego obiektu. To podstawa arcy­waż­nej zasady zacho­wa­nia infor­ma­cji. Tym­cza­sem kon­cep­cja pro­mie­nio­wa­nia czarnych dziur zakła­dała, że cząstki pod­kra­da­jące im masę nie są tymi samymi cząst­kami, które wpadły niegdyś za horyzont zdarzeń. Ure­al­nia­jącą się cząstkę wir­tu­alną należy trak­to­wać jako świeży byt, podczas gdy pochło­nięta materia oraz cała infor­ma­cja o niej, wypa­ro­wują wraz z dziurą. Jeśli dziura prze­ką­siła w prze­szło­ści dorodną gwiazdę, to na pod­sta­wie pro­mie­nio­wa­nia Hawkinga nigdy tego nie dowie­dziemy. Jej obecność została raz na zawsze wymazana z historii.

Może nie wszystko stracone

Hawking, gdyby mógł, wzru­szyłby tylko ramio­nami stwier­dza­jąc, że naj­wy­raź­niej zasada zacho­wa­nia infor­ma­cji nie jest aż tak zasad­ni­cza. Jakby tego było mało, krnąbrny profesor Cam­bridge przez długi czas upierał się, że infor­ma­cja ucieka ze świata już w momencie wcią­gnię­cia jej za horyzont zdarzeń. W końcu czarna dziura, ana­lo­gicz­nie do cząstek ele­men­tar­nych, nie posiada zbyt wielu cech cha­rak­te­ry­stycz­nych. Przez długi czas uważano, że do pełnego opisu obiektu wystar­czą trzy wiel­ko­ści: masa, moment obrotu i ładunek elek­tryczny, poza tym dziury pozo­stają nie­roz­róż­nialne. Zatem materia wessa­nego nie­szczę­śnika zostaje prze­ro­biona na jed­no­litą, pozba­wioną toż­sa­mo­ści papkę, która zasila masę eks­tre­mal­nego grubasa. Pomysł ten mroził krew w żyłach wielu zacnych fizyków, takich jak Jacob Beken­stein, Gerardus ‘t Hooft czy Leonard Susskind, gotowych pójść na noże z Haw­kin­giem aby tylko uchronić pod­sta­wowe prawa natury. 
hooft susskindWie­lo­let­nia, wciąż nie­za­koń­czona polemika między uczonymi stanowi główny motor bujnego rozwoju astro­fi­zyki. Wspo­mnia­nemu Beken­ste­inowi udało się prze­ko­nać Hawkinga do uznania hory­zontu zdarzeń za wyznacz­nik entropii czarnej dziury. Trud­niej­sze zadanie czekało Sus­skinda i  ‘t Hoofta, którzy stoczyli z nim praw­dziwą bitwę (taki tytuł nosi książka opo­wia­da­jąca o tym kon­flik­cie: Bitwa o czarne dziury. Moja walka ze Ste­phe­nem Haw­kin­giem o uczy­nie­nie świata przy­ja­znym mecha­nice kwan­to­wej. Polecam). Wpadli oni na szalony plan ura­to­wa­nia zasady zacho­wa­nia infor­ma­cji, wedle którego nie zni­ka­łaby ona nigdy. Holo­gra­fi­ści uważają, że wszelka infor­ma­cja na temat zawar­to­ści czarnej dziury pozo­staje cały czas dostępna, roz­po­starta na jej zewnętrz­nej granicy. Brnąc dalej w tej inter­pre­ta­cji fizycy dostrze­gli, że tę ideę można zasto­so­wać do opisu całego wszech­świata. Ozna­cza­łoby to, że wszyst­kie dane na temat znanej nam rze­czy­wi­sto­ści jak i nas samych, są wyryte na powłoce wszech­świata, a to co widzimy stanowi swego rodzaju trój­wy­mia­rowy hologram. W odnie­sie­niu do samych czarnych dziur, teoria holo­gra­ficzna roz­wią­zuje wszelkie dotych­cza­sowe kłopoty. Wcią­gnięty wazon ulegnie zagła­dzie, jednak postronny obser­wa­tor zauważy, że jego obraz “zatrzyma się” na powierzchni hory­zontu zdarzeń. Nie­wąt­pli­wie będzie on roz­cią­gnięty i znie­kształ­cony do granic moż­li­wo­ści, ale jednak infor­ma­cja o kształ­cie, kolorze, wiel­ko­ści i całej reszcie przetrwa.

Stephen Hawking batalię przegrał i wszystko wskazuje na to, że teraz wspomoże byłych adwer­sa­rzy w opisie wszech­świata holo­gra­ficz­nego.
Literatura uzupełniająca:
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
S. Hawking, Teoria Wszystkiego. Powstanie i losy wszechświata, przeł. P. Amsterdamski, Poznań 2004;
L. Susskind, Czarne dziury i paradoks informacji, przeł. P. Amsterdamski, “Świat Nauki” czerwiec 1997;
I. Nowikow, Czarne dziury i wszechświat, przeł. S. Bajtlik, Warszawa 1995.
podpis-czarny
  • Z zapy­ta­niem

    Ale tak od strony prak­tycz­nej, jakie zna­cze­nie ma ten cały infor­ma­cyjny paradoks? Czy jeśli dziury jednak wsuwają całą infor­ma­cję i ją usuwają z wszech­świata to co się stanie zmienia to cokol­wiek?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • r4aurean

      I np. jak ma się to do teorii, że nawet gdyby cała infor­ma­cja wpadała w czarną dziurę, to jeśli fak­tycz­nie stanowią one “portale” do innych wszech­świa­tów i infor­ma­cja prze­do­sta­wa­łaby się jakimś sposobem tam, to de facto nie zosta­łaby zani­hi­lo­wana, cały czas by istniała, może nie w naszym, poje­dyn­czym wszech­świe­cie ale w ogólnym, makrow­szech­świe­cie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      To akurat sfera fizyki teo­re­tycz­nej i jak sama nazwa wskazuje, nie ma to bez­po­śred­niego, prak­tycz­nego zna­cze­nia. Może mieć jednak pośred­nie bo gra toczy się o jedną z dość fun­da­men­tal­nych praw fizyki. Jeżeli znaj­dziemy od niej wyłom, to prze­staje być ona zasadą, ogra­ni­cze­niem — być może również w innych tematach z jakimi przyj­dzie się nam zmierzyć.

      Trak­to­wa­nie czarnych dziur jako portali to jak na razie myślenie życze­niowe, podobnie jak zakła­da­nie ist­nie­nia innych wszech­świa­tów. Trudno to przy obecnym stanie wiedzy w ogóle rozważać, bo nie ma prze­sła­nek, które pozwo­li­łyby na domnie­ma­nie ich ist­nie­nia.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • unber

    Korekta oby­wa­tel­ska — “W efekcie kosmiczne monstrum traci masę i może zniknąć– bo biliar­dach lat, ale jednak.” — po biliar­dach, a przy Gerardus ‘t Hooft pisze się z apo­stro­fem, nie prze­cin­kiem. Nato­miast artykuł bardzo ciekawy, chociaż przy­da­łoby się wpro­wa­dze­nie do tego, co łączy teorię infor­ma­cji i fizykę.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Wiem, że z apo­stro­fem i wierz lub nie, w edytorze widnieje apostrof. To jest word­press, tego nie ogar­niesz.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • ano­ni­mo­wy­pro­gra­mi­sta

        Strzelam, że traktuje to jako cudzy­słów apo­stro­fowy, a dokład­niej jego otwarcie. Jak dasz gdzieś wcze­śniej drugi apostrof (choćby “prze­zro­czy­sty”, np. w białym kolorze), to ten pewnie wróci na górę. Wszyscy kochamy parsery inte­li­gent­niej­sze od twórców. ; )

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Grzegorz Gregor

    “Science in more than a body of know­legde. I’ts a way of skep­ti­cally
    inter­ro­ga­ting the universe.” — Carl Sagan.
    “Jeżeli na samym początku idea nie wydaje się absur­dalna,
    Nie ma dla niej żadnej nadziei.” — Albert Einstein.
    “Rozum może wszystko kwe­stio­no­wać i żądać uza­sad­nie­nia każdej wypo­wie­dzi.” — Joahim Wehler.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • r4aurean

    Odczuwam, że autor ma jakąś awersję do S. Hawkinga i sam artykuł jest mocno emo­cjo­nalny. Począt­kowy “ból dupy” bez potrzeby i do tego kilka lite­ró­wek, no ale to można wybaczyć.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Źle odczu­wasz. Nawet bardzo źle. Jeśli już mam pre­ten­sje to do mediów, nie do prof. Hawkinga — bo niby czemu? Pozo­staje on po prostu zakład­ni­kiem swojej sławy i każde zdanie z jego wystą­pień jest natych­miast bez­ro­zum­nie nagła­śniane, nawet jeśli to tylko luźna myśl, mglista hipoteza, czy powtó­rze­nie zdania innego uczonego.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • r4aurean

        Mówiąc “ból dupy” miałem raczej na myśl nie tyle dzie­le­nie się prze­my­śle­niami, co odstą­pie­nie od dotych­cza­so­wej, jak zauwa­ży­łem, formy pro­wa­dze­nia bloga. Kwantowo czytuję od kilku miesięcy (bodaj pięciu, może więcej) i właśnie w tym artykule na tyle mocno w oczy rzuciło mi się emo­cjo­nalne podej­ście Pana do tego, co piszą inni autorzy, że aż skłoniło mnie to do napi­sa­nia komen­ta­rza (nota bene dopiero drugiego przez cały ten czas na blogu). Niemniej nie chciałem Pana urazić w żaden sposób, jedynie zazna­czyć zda­rze­nie, którego raczej nie spo­dzie­wał­bym się spotkać na portalu, który przy­zwy­czaił czy­tel­ni­ków (a przy­naj­mniej mnie) do prze­ka­zy­wa­nia rze­tel­nej (mam nadzieję), spo­ra­dycz­nie opa­trzo­nej opinią, wiedzy :).

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Nie ma tu mowy o urażaniu ;). Pro­sił­bym tylko o zro­zu­mie­nie właśnie tej drob­nostki: Kwantowo nie było i nie będzie portalem (portali “nauko­wych” jest zresztą pełno i gardzę nimi) — to blog. Po prostu dzielę się swoją pasją, a jak jest okazja również prze­my­śle­niami czy nawet emocjami. Zapew­niam, że to nic nowego. Taka spe­cy­fika tego miejsca.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • arthy

    Rozumiem czym jest paro­wa­nie czarnej dziury, nato­miast nie moge sobie
    wyobra­zic zmiany przy tym masy czarnej dziury. Wszystko chyba rozbija
    sie o to czym doklad­nie sa te czastki wir­tu­alne i jak jest z ich masa?
    Bo jesli zaklozyc, ze czarna dziura wcia­ga­jac materie z jakiejs gwiazdy
    powiek­sza sie, to ana­lo­gicz­nie kon­su­mu­jac mase wir­tu­jal­nej czastki
    powinna rowniez zyskiwac na roz­mia­rze co jest sprzeczne z teoria. Gdzie popel­niam blad?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • karkus

      To wygląda tak że jedna z cząstek ma jakby energię ‘dodatnią’ a druga ‘energię’ ujemną i zawsze wychodzą na zero. Przy czarnej dziurze na zero wyjść nie mogą więc ich wcią­ga­nie kradnie energię czarnej dziurze.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • arthy

        Ok, szedlem tym tropem, ale jak­kol­wiek strata masy/energii przez czarna dziure po wcia­gnie­ciu tej czastki o energii ujemnej jest jeszcze w miare intu­icyjne, tak wcia­gnie­cie czastki tej “dodat­niej” juz kom­plet­nie nie. Przeciez nie jest chyba tak, ze czarna dziura wciaga tylko wir­tu­alne anty­czastki?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • karkus

        Ale to raczej nie chodzi o to aby to koniecz­nie była anty­cząstka bo anty­cząstka ma masę i energię tak samo jak zwykła cząstka tyle tylko że o prze­ciw­nym ładunku. Czarna dziura może pro­mie­nio­wać tak cząst­kami jak i anty­cząst­kami.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • arthy

        No i wlasnie tego nie rozumiem — jak przyj­mu­jac mase od czastki badz anty­czastki czarna dziura traci mase? Przeciez na nasze to nie ma sesnu:( Chociaz w swiecie kwan­to­wym niewiele rzeczy ma ;P

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kuba

        Cząstki wir­tu­alne to nie jest “zwykła” para cząstka-anty­cząstka. Suma ich mas i energii = 0, choć nie są one bez­ma­sowe. Takie cząstki poja­wiają się spon­ta­nicz­nie i znikają nie pozo­sta­wia­jąc masy ani energii (w prze­ci­wień­stwie do ani­hi­lu­ją­cych cząstka-anty­cząstka). W pobliżu CD może się zdarzyć, że tylko jedna z cząstek wir­tu­al­nych zostanie wchło­nięta przez CD, wtedy druga pozba­wiona partnera zmieni się w cząstkę realną z dodatnią masą i energią. Ale zerowy bilans musi się zgadzać, dlatego cząstka poza CD zyskuje masę i energię kosztem cząstki, która wpadła do CD. Wówczas cząstka wewnątrz CD ma ujemną masę i energię, która zmniej­sza masę CD.
        CD efek­tyw­nie zmniej­sza masę tylko jeśli nie pochła­nia zwykłej materii, czyli jak już pochło­nie wszystko co mogła ze swojego oto­cze­nia.
        Paro­wa­nie CD to jeszcze hipoteza nie­po­twier­dzona obser­wa­cjami.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • arthy

        Dziekuje za odpo­wiedz, nabralo to teraz troche wiecej sensu 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mei Misaki

    Zamiast: bo biliar­dach lat, ale jednak.
    Powinno być: po biliar­dach lat, ale jednak.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0