Czy informacja może uciec z czarnej dziury? Czas na rozwiązanie paradoksu Stephena Hawkinga

Czarne dziury fascynują swoją tajemniczością i potęgą, choć „w poprzednim życiu” mogły być całkiem zwyczajnymi gwiazdami. Z istnieniem tych obiektów wiążą się paradoksy, a jeden z takowych został zaproponowany przez Stephena Hawkinga.

Legendarny, niestety już nieżyjący astrofizyk odkrył kiedyś, że czarne dziury funkcjonują w sposób, który zmienia falową naturę otaczających je pól kwantowych. W efekcie dochodzi do powstawania promieniowania cieplnego. Sugerowałoby to, że te obiekty powinny stopniowo wypromieniowywać energię, kurczyć się w rosnącym tempie, by ostatecznie całkowicie zniknąć.

Czytaj też: Czarne dziury i kosmiczny bilard. Raczej nie chcielibyście w niego zagrać

Jedną ze sprzeczności związanych z czarnymi dziurami wydaje się ich rzekoma zdolność do pochłaniania wszelkiej materii znajdującej się w ich pobliżu. Jest to niezgodne z zasadami fizyki kwantowej i dało początek tzw. paradoksowi informacyjnemu czarnej dziury, za którym stał właśnie Stephen Hawking. Naukowiec odkrył bowiem, że izolowana czarna dziura emituje promieniowanie o temperaturze zależnej od jej masy, ładunku i pędu, lecz dzieje się to w sposób niezależny od stanu początkowego tego obiektu. Wygląda jednak na to, iż w czasie parowania czarnej dziury informacje ulegają zachowaniu.

Jak sugeruje publikacja dostępna na łamach Physical Review Letters, kluczem do rozwiązania tej zagadki mogą okazać się tzw. kwantowe włosy. Związana z nimi teoria zakłada, że informacja o tym, co trafia do czarnej dziury, może z niej uciec i to bez naruszania jakichkolwiek zasad ogólnej teorii względności oraz mechaniki kwantowej. Gdyby takie wyjaśnienie się potwierdziło, mogłoby dojść do połączenia teorii względności odnoszących się do grawitacji i mechaniki kwantowej. Byłoby to sprzeczne z paradoksem Hawkinga zakładającym, że ogólna teoria względności i mechanika kwantowa są niekompatybilne.

Paradoks informacyjny czarnej dziury został zaproponowany przez Hawkinga w latach 70.

W środowisku naukowym powszechnie zakładano, że rozwiązanie tego paradoksu wymagałoby ogromnej zmiany paradygmatu w fizyce, wymuszając potencjalne przeformułowanie mechaniki kwantowej lub ogólnej teorii względności. Odkryliśmy – i myślę, że jest to szczególnie ekscytujące – że nie jest to konieczne.

Xavier Calmet, Uniwersytet w Sussex

Dotychczasowych teorii związanych z wyjaśnieniem tego paradoksu było naprawdę wiele. Niektóre z nich zakładały, że informacja spala się przed wpadnięciem do czarnej dziury, podczas gdy w myśl innych czarne dziury posiadają niewyraźne granice. Problematyczny w takich hipotezach był co najmniej jeden fakt: aby miały one sens, konieczne było przeformułowanie praw mechaniki kwantowej lub teorii grawitacji.

Czytaj też: Czy Hawking miał rację? Odpowiedzi dostarczają sztuczne czarne dziury

Calmet i inni członkowie jego zespołu zakładają, że czarna dziura jest… owłosiona. Opadająca na nią materia miałaby więc pozostawiać w jej polu grawitacyjnym swego rodzaju odcisk. To właśnie jego określa się mianem kwantowego włosa, który mógłby stanowić mechanizm, za sprawą którego informacja ulega zachowaniu podczas zapadania się czarnej dziury. W efekcie, na przykład dwie czarne dziury o identycznych masach i promieniach, ale różnym składzie, cechowałyby się niewielkimi różnicami w swoich polach grawitacyjnych.