Czytaj dalej

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.