Czarne dziury – pożeracze informacji

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.

Czy czarna dziura niszczy informacje?

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.

Prosty schemat promieniowania Hawkinga

Nie 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 Hawkinga, czyli swoistego parowania 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. 

Gerardus 't Hooft i Leonard Susskind

Wieloletnia, 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.
Schrödingera romans z biologią Nagroda za największą intergalaktyczną erupcję energii wędruje do… Nie, bo nie. Garść fizycznych niemożliwości