Noua gaură neagră este gri. Are dreptate Stephen Hawking?

În ultimele zile mass-media a relatat declaraţiile recente ale lui Stephen Hawking cum că găurile negre, un mister atât al ştiinţei, cât şi al domeniului science-fiction, nu există. Astfel de declaraţii produc agitaţie în rândul mediilor de informare şi rubricile de comentarii ale acestora degenerează rapid în discuţii satirice despre faptul că nu ar trebui să credem mai nimic din ceea ce ne spun oamenii de ştiinţă.

Ştiinţa este, aşa cum se sugerează de multe ori, puţin diferită faţă de religie, acolo unde clerul existent aşteaptă ultimele proclamaţii din partea unor persoane de notorietate din domeniu. Şi în fizica modernă nu poţi găsi pe cineva mai celebru decât Stephen Hawking. Dar ce înseamnă această nouă declaraţie? Trebuie ca manualele de fizică să fie rescrise spre satisfacţia editorilor de manuale?

Stephen Hawking stârneşte o nouă dezbatere pe tema găurilor negre. Dar are el dreptate?
Credit: Flickr/NASA HQ PHOTO.

Pentru a răspunde trebuie să facem un pas înapoi şi să ne reamintim ce înţelegem prin noţiunea de gaură neagră şi să analizăm atent unde încep problemele lui Hawking.


O gaură neagră clasică

În anul 1915 Einstein a dedus ecuaţiile relativităţii generale care au revoluţionat modul în care am înţeles gravitaţia. În timp ce Einstein se chinuia cu ecuaţiile sale, fizicianul german Karl Schwarzschild a fost capabil să le folosească pentru a determina câmpul gravitaţional din exteriorul unei distribuţii sferice de masă.

Dar concluziile lui Schwarzschild au fost destul de înfricoşătoare, el estimând că obiectele ar putea colapsa complet, iar masa acestora ar fi strivită la interior într-o „singularitate" centrală înconjurată de un câmp gravitaţional din care nici chiar lumina nu poate scăpa. Pentru orice gaură neagră, delimitarea dintre zona din care lumina poate evada şi zona din care aceasta este reţinută este reprezentată de o suprafaţă numită orizontul evenimentelor, cea care separă universul nostru de misterele din apropierea unei găuri negre.

În acest fel s-a născut noţiunea de gaură neagră „clasică" care este descrisă, pur şi simplu, de ecuaţiile din teoria relativităţii generale. Dar în timp ce se ştia că relativitatea generală descrie forţa de gravitaţie, la începutul secolului XX s-a produs o altă revoluţie în ceea ce priveşte înţelegerea celorlalte forţe fundamentale din natură care au fost descrise, în detalii precise, de către mecanica cuantică.

Saltul cuantic

Problema este că relativitatea generală şi mecanica cuantică nu se pot utiliza împreună. Asta înseamnă că ecuaţiile mecanicii cuantice nu pot descrie gravitaţia, în timp ce teoria relativităţii generale poate fi utilizată doar pentru studiul gravitaţiei.

Pentru a putea aplica ambele teorii, atât în situaţiile în care gravitaţia este puternică, cât şi în cazurile în care mecanica cuantică nu poate fi ignorată, cel mai bun mod în care putem face asta, în acest moment, este "să lipim cu bandă adezivă" ecuaţiile lor. Până când nu vom avea o teorie unificată a gravitaţiei şi a celorlalte forţe fundamentale nu putem face mai mult.

Stephen Hawking a întreprins una dintre cele mai faimoase încercări de acest gen la începutul anilor '70. El s-a întrebat ce se întâmplă în apropiere de orizontul evenimentelor în termenii mecanicii cuantice, acolo unde spaţiul gol este reprezentat de o masă efervescentă de perechi de particule care apar şi dispar în permanenţă. La orizontul unei găuri negre aceste particule sunt separate, unele dintre ele sunt aspirate în singularitatea centrală în timp ce partenerele lor scapă în spaţiu.

Ceea ce Hawking a arătat, printr-o soluţie care a îmbinat gravitaţia şi mecanica cuantică, este faptul că găurile negre radiază în spaţiu, îşi pierd treptat din energia lor gravitaţională şi că, după un timp suficient de lung, găurile negre se evaporă complet sub formă de radiaţii. Atunci când mecanica cuantică este aplicată în condiţii de gravitaţie extremă noţiunea de „gaură neagră clasică" îşi pierde sensul obişnuit.

O imagine compozit ce arată jeturile şi lobii de emisii radio ce emană din gaura neagră din centrul galaxiei
Centaurus A. Credit: NASA/ESO/WFI.

Ceainice şi găuri negre

Există, totuşi, o problemă cu care ne confruntăm atunci când utilizăm mecanica cuantică pentru studiul gravitaţiei şi această problemă este informaţia.

Mecanica cuantică este foarte interesată de informaţii şi pentru ea sunt importante detaliile care fac ca un obiect să arate ca un ceainic: din câţi protoni şi câţi electroni este format obiectul, unde se află aceştia, iar pentru ea un ceainic reprezintă un aranjament special de electroni şi protoni care este diferit de orice altceva cum ar fi un fascicul de lumină sau o canapea.

Când un ceainic este aruncat într-o gaură neagră el este distrus complet, în primul rând este spart într-un milion de bucăţi şi apoi acestea sunt divizate până la nivel de atomi care, la rândul lor, sunt ulterior descompuşi în componentele lor constitutive înainte să fie absorbite de singularitatea centrală.

Dar radiaţia despre care Hawking a prezis că este emisă de găurile negre nu conţine nicio informaţie în legătură cu ceea ce a căzut în interiorul unei găuri negre. Indiferent cât de atent aţi studia această radiaţie, nu veţi putea spune dacă a fost vorba despre un ceainic, un frigider sau o iguană.

Pentru cei mai mulţi oameni acest lucru pare a fi o chestiune fără importanţă. Dar, în realitate, mecanica cuantică se ocupă cu studiul informaţiei, urmărirea modului în care aceasta se propagă şi interacţiunea dintre biţii fundamentali de informaţie din Univers.

Ştergerea informaţiilor este, prin urmare, o caracteristică foarte importantă a găurilor negre şi în ultimii ani cercetătorii au studiat diferite moduri prin care informaţia care a fost captată de o gaură neagră poate fi într-un fel păstrată.

Împingând limitele fizicii chiar mai departe

Trebuie să ne reamintim că noi acum forţăm limitele fizicii moderne şi, deoarece nu avem un cadru matematic unic în care gravitaţia şi mecanica cuantică să se poată aplica împreună, trebuie să ne gândim la modul în care putem utiliza împreună cele două teorii fundamentale ale fizicii moderne.

În anul 2012 problema a fost revizuită de fizicianul american Joseph Polchinski. El a studiat modul în care apare radiaţia Hawking în apropiere de orizontul evenimentelor unei unei găuri negre atunci când perechile de particulele care apar din vidul cuantic sunt separate şi cum, în timp ce una dintre particule este pierdută iremediabil în gaura neagră, cealaltă se eliberează şi zboară liber în spaţiu.

Polchinski şi-a pus întrebarea: „Cum ar fi dacă informaţia conţinută de particula care se prăbuşeşte în gaura neagră nu se pierde, ci este cumva imprimată în radiaţiile emise de aceasta?"

La fel ca în cazul ruperii legăturilor atomice, această redistribuire a informaţiilor se dovedeşte a fi foarte energică, înconjurând o gaură neagră cu un „firewall" prin care particulele de materie trebuie să treacă. Aşa cum sugerează şi numele său, un astfel de paravan de protecţie va transforma iguana ce ar ajunge acolo într-o friptură crocantă. Dar cel puţin informaţia nu este pierdută.

În timp ce propunerea lui Polchinski reprezintă o posibilă soluţie, mulţi sunt deranjaţi de consecinţele care apar ca urmare a existenţei unui firewall şi de faptul că iguana va observa o creştere rapidă a temperaturii şi îşi va da seama că se află la orizontul evenimentelor unei găuri negre. Aceasta ar contrazice unul dintre principiile de bază ale relativităţii generale, care afirmă că un observator aflat în cădere într-o gaură neagră ar trebui să treacă prin orizontul acesteia fără să-şi dea seama că se află acolo.

Înapoi la Hawking

Acesta este momentul în care recenta lucrare a lui Hawking îşi face apariţia. Ea sugerează că atunci când se utilizează împreună principiile mecanicii cuantice şi teoria relativităţii generale, fluctuaţiile vidului împiedică formarea unui orizont clar, bine definit, propunând înlocuirea acestuia cu un „orizont aparent" efemer.

Acest orizont aparent ar juca rolul unui orizont al evenimentelor, captând materia şi radiaţiile în gaura neagră, dar această captură este doar temporară şi există posibilitatea ca materia şi radiaţiile să fie eliberate împreună cu informaţiile pe care le conţin.

Deoarece nu mai este nevoie ca informaţia dintr-o gaură neagră să se mai scurgă înapoi în spaţiu, aceasta putând fi eliberată într-o explozie finală atunci când găurile negre s-au evaporat complet, nu mai este necesar să existe un firewall şi un observator aflat în cădere într-o gaură neagră va avea din nou drum liber către interiorul unei găuri negre.

Nu mai există găuri negre?

Pentru astronomi detaliile fizicii fundamentale din apropiere de orizontul evenimentelor nu prezintă acelaşi interes în comparaţie cu imensele câmpuri gravitaţionale produse de aceste găuri negre aflate în centrul galaxiilor, cele care întreţin cele mai energice procese din Univers. Pentru astrofizicieni găurile negre încă există.

Ceea ce Hawking a vrut să ne spună este că prin utilizarea principiilor mecanicii cuantice noţiunea de gaură neagră care este descrisă de ecuaţiile din teoria relativităţii generale, „gaura neagră clasică", nu există şi că orizontul, demarcaţia dintre regiunea din care lumina poate scăpa de atracţia găurii negre şi regiunea din care aceasta este reţinută de atracţia găurii negre, este mai complex decât am crezut anterior. Şi toate acestea au loc după mai mult de 40 de ani de când lucrarea sa originală a fost publicată.

Titlurile din presă nu ar trebui să fie „găurile negre nu există", ci „găurile negre sunt mult mai complicate decât am crezut şi nu vom şti cu adevărat cât sunt de complicate până când gravitaţia şi mecanica cuantică nu vor putea fi unificate".

Şi acum o ultimă întrebare supărătoare: are Hawking dreptate? Am început acest articol remarcând faptul că ştiinţa este adeseori comparată cu religia, unii oameni de ştiinţă aşteaptă declaraţii care respectă cele mai recente dogme ştiinţifice şi care vin din partea celor mai recunoscuţi cercetători.

Dar nu acesta este modul în care ştiinţa evoluează şi este important să ne amintim că, deşi Hawking este în mod evident foarte inteligent, pentru a cita pe nemuritoarea Tammy Wynette din Stand By Your Man, „la urma urmei este şi el doar un om" şi doar pentru că el afirmă ceva asta nu înseamnă că acel ceva este adevărat.

Soluţia propusă de Hawking este inteligentă, dar dezbaterea asupra adevăratei naturi a găurilor negre va continua cu pasiune. Sunt sigur că acestea îşi vor schimba continuu aspectul şi caracteristicile lor vor deveni tot mai ciudate, dar acesta este chiar modul în care evoluează ştiinţa şi asta o face să fie minunată.