Oare găurile negre îşi pierd memoria, suferă de... amnezie? Ce se întâmplă cu informaţia într-o gaură neagră: cea conţinută în obiectele din care s-a format şi în cele pe care le-a înghiţit? În prezent situaţia nu este clară, acest subiect fiind în plină dezbatere.
Găurile negre şi radiaţia Hawking
Există chiar şi un paradox al informaţiei găurii negre şi a fost pus şi un pariu. Înţelegerea mai profundă a găurilor negre ne-ar putea ajuta să descifrăm misterul unificării teoriei gravitaţiei cu cea a mecanicii cuantice; şi versiunea opusă este însă valabilă: progresul în înţelegerea gravitaţiei cuantice ar putea ajuta la descifrarea misterelor găurilor negre, inclusiv în a înţelege ce se întâmplă cu informaţia.
Vom ilustra pe scurt în acest articol câteva aspecte legate de informaţie şi găurile negre, fără pretenţia de a face o prezentare riguroasă sau completă.
Găurile negre şi informaţia
Am introdus în articolele precedente câteva dintre caracteristicile găurilor negre, o clasificare a acestora în funcţie de masa şi procesul de emisie de radiaţie Hawking.
Radiaţia Hawking poate duce la evaporarea găurii negre şi am văzut cum găurile negre care s-ar putea forma la experimentele de la Geneva ar avea un timp de viaţă extrem de scurt, tocmai prin acţiunea acestei radiaţii.
Ce se întâmplă însă cu informaţia conţinută în obiectele ce au format o gaură neagră, precum numărul de barioni (clasa de particule din care fac parte protonii şi neutronii), numărul de leptoni (clasa de particule din care fac parte electronii) şi alt gen de informaţii asemănătoare?
După cum am văzut în articolul "Gaura neagră - sens unic prin spaţiu", găurile negre sunt caracterizate de doar trei proprietăţi: masa, sarcina electrică şi rotaţie, independent de istoria lor, adică de procesul care a dus la formarea acestora. Înseamnă oare că o gaură neagră pierde informaţia, suferă de amnezie?
Ne-am putea consola cu ideea că informaţia este conţinută cumva în gaura neagră însă noi nu avem acces la ea... dar în ce formă? Nu ştim, deoarece teoria relativităţii generale nu ne spune nimic despre acest aspect, ba dimpotrivă, în interiorul găurii negre s-ar afla o singularitate, un fel de „infinit”. Situaţia, evident, s-ar putea schimba dacă am cunoaşte teoria care unifică relativitatea generală cu mecanica cuantică. La ora actuală, această teorie nu este matură; există însă anumite încercări, mai mult sau mai puţin timide, iar timpul va stabili dacă una dintre acestea este cea corectă.
Nu trebuie însă să uităm că găurile negre emit aşa-numita radiaţie Hawking, pe care am prezentat-o în "Cum se evaporă găurile negre prin radiaţia Hawking?". Este oare posibil ca informaţia pe care am pierdut-o în interiorul găurii negre să reapară cumva împreună cu această radiaţie?
Paradoxul pierderii de informaţie
Există deci speranţa ca radiaţia Hawking să ne permită să reconstruim informaţia obiectelor care au format şi care au fost înghiţite de către gaura neagră. Ceea ce ştim însă despre radiaţia Hawking nu ne permite să tragem această concluzie, deoarece această radiaţie este de aceeaşi natură, indiferent de tipul de obiecte care au căzut în gaura neagră.
Este pur şi simplu formată din particule virtuale, care au fost aruncate afară din gaura neagră, dincolo de orizont, de către câmpul gravitaţional, şi nu există motive temeinice să credem că această radiaţie transportă informaţia conţinută în obiectele care au căzut în gaura neagră.
Acest mister a primit numele de „paradoxul pierderii de informaţie într-o gaura neagră” (black hole information loss paradox). Acest paradox a generat o intensă activitate în rândul comunităţii de fizicieni teoreticieni în ultimii 20-30 de ani. Cei care provin din rândul celor care se ocupă cu studiul relativităţii generale, printre care Stephen Hawking şi Kip Thorne, sunt tentaţi sa creadă că informaţia este într-adevăr pierdută, gaura neagră suferă de amnezie.
Cei care provin din rândul celor care studiază particulele elementare şi teoria cuantică a câmpului, de exemplu John Preskill, au tendinţa să creadă că informaţia nu este pierdută şi că înţelegerea gravităţii cuantice ne va demonstra cum este posibil acest lucru. Din punctul lor de vedere găurile negre nu suferă de amnezie, ci au o memorie de invidiat!
Hawking pune un pariu
În 1997 Hawking şi Thorne au pus pariu cu Preskill legat de pierderea informaţiei într-o gaură neagră. Hawking şi Thorne susţineau că informaţia se pierde, în timp ce Preskill era convins că teoria relativităţii cuantice va demonstra că informaţia nu se pierde şi poate fi recuperată în momentul evaporării găurii negre.
Copie a pariului dintre, pe de o parte, Stephen Hawking şi Kip Thorne, iar pe de alta, John Preskill
Credit: John Baez
Pariul a fost semnat pe 6 Februarie 1997 şi prevedea că acela care pierde va oferi câştigătorului/câştigătorilor o enciclopedie la alegerea acestuia. La circa 7 ani de la semnarea pariului, în 2004, în mod destul de neaşteptat, Hawking a admis cum că ar fi pierdut pariul şi l-a onorat, oferindu-i unui Preskill destul de sceptic în a accepta victoria enciclopedia pe care acesta a ales-o: Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia, 8th edition. Thorne nu a acceptat pierderea pariului, deoarece din punctul lui de vedere situaţia este încă indecisă.
Ce l-a convins însă pe Hawking să admită pierderea pariului?
De ce Hawking a acceptat pierderea pariului
Ceea ce l-a convins pe Hawking că ar fi pierdut pariul şi că informaţia se conservă în cadrul unei găuri negre are legătură cu structura spaţio-temporală şi entropia. Nu vom intra în detalii întrucât acestea sunt noţiuni extrem de complexe, vom da însă câteva idei care sunt interesante şi pot, sperăm, fi înţelese de cititori.
Entropia unei găuri negre este un subiect complex şi fascinant. Entropia acestora, deci şi cantitatea de informaţie (numărul de micro-stări compatibile cu o macro-stare, în acest caz gaura neagră) depinde de suprafaţa (aria) orizontului evenimentelor şi nu de volum, cum poate ne-am fi aşteptat. Printre altele acest fapt duce la enunţarea aşa-numitului principiu holografic, formulat de Gerard t’Hooft şi de către Leonard Susskind – toată informaţia găurilor negre este conţinută în suprafaţă! Ca şi în cazul hologramelor. Acest principiu şi implicaţiile lui profunde ar merita desigur un articol separat.
Să ne întoarcem însă la găurile negre şi informaţia acestora. În 1997 fizicianul Juan Maldacena a revoluţionat o posibilă modalitate de înţelegere a gravitaţiei cuantice cu un exemplu de aplicaţie a principiului holografic.
Maldacena a găsit o echivalenţă între teoria super-gravitaţională în cinci dimensiuni într-un spaţiu care conţine o energie a vidului negativă (un astfel de spaţiu se numeşte anti-de Sitter) şi o teorie cuantică a câmpului în patru dimensiuni care nu conţine gravitaţia. Orice se întâmplă în cadrul uneia dintre cele două teorii are un echivalent precis în cealaltă. Sunt aşa-numite teorii duale: arată diferit, dar au acelaşi conţinut.
În această situaţie, dacă ne imaginăm - şi este exact ceea ce a făcut Hawking - o gaură neagră în spaţiul cu cinci dimensiuni pe care l-a considerat Maldacena, procesele care se petrec cu gaura neagră, inclusiv emisia de radiaţie, au un echivalent în teoria cu patru dimensiuni, teoria cuantică a câmpului, în care nu avem gravitaţie. În teoria fără gravitaţie însă informaţia se conservă, cum se întâmplă în teoriile fără gravitaţie. Deci prin echivalenţa găsită de Maldacena rezultă că şi în cazul găurii negre din spaţiul cu 5 dimensiuni informaţia se păstrează.
De ce acest argument nu l-a convins însă şi pe Thorne dacă este aşa de clar cum pare?
Thorne nu este convins de argumentul indirect folosit de Maldacena, deoarece acesta nu spune nimic despre modul în care informaţia se păstrează în emisia de radiaţie de către gaura neagră. Thorne vrea să fie sigur că gaura neagră nu suferă de amnezie şi ceea ce Maldacena a demonstrat pare că nu-l convinge pe deplin.
Misterul găurilor negre
Am prezentat în această mini-serie de articole dedicate găurilor negre câteva dintre motivele care fac ca acestea să fie considerate obiecte fascinante şi pline de mister. Am văzut că există găuri negre microscopice dar şi uriaşe, am mai văzut cum găurile negre pot dispărea în urma emisiei de radiaţie. În acest articol am prezentat pe scurt paradoxul informaţiei găurilor negre şi, legat de acest subiect, pariul pe care Hawking este convins că l-a pierdut. Strada pe care o avem de parcurs pentru a înţelege pe deplin aceste obiecte este încă lungă şi plină de obstacole însă, autoarea este convinsă, răsplata la sfârşitul călătoriei va fi pe măsura eforturilor depuse. Strada va sfârşi cu o poartă spre o altă stradă, chiar mai complicată dar şi mai fascinantă, aceasta fiind în fond însăşi natura cercetării ştiinţifice – orice răspuns găsit aduce cu sine multe alte întrebări.