Hokingov paradoks zrčenja rešen je unošenjem kvantne gravitacije u proračune čuvenog fizičara, što je u saglasju s važećim fizičkim zakonima za naš svemir.
Prema novom naučnom radu, međunarodni tim je rešio najveći paradoks crnih rupa, poznat kao Hokingov paradoks gubitka informacija.Novo istraživanje, objavljeno 6. marta u časopisu Physics Letters B, pokazalo je da informacije kako su nastale crne rupe ne nestaju u crnim rupama. One bi mogle biti sadržane u zračenju u okolini crnih rupa, popularno nazvanoj „kvantna kosa”, što pak znači da bi se na temelju njih moglo dešifrirati iz kakvih su ela crne rupe nastale i štoa su sve progutale. Time bi bili zadovoljeni zahtevi klasične i kvantne fizike prema kojima informacije u svemiru ne bi smele nestajati.Kako nastaju crne rupe?
Crne rupe su tela koja nastaju urušavanjem materije u velikim zvezdama, značajno većim od Sunca. Kada takvim zvezdama ponestane nuklearnog goriva, unutrašnji pritisak, stvaran u procesima fuzije, oslabi, prevladaju sile gravitacije i počne urušavanje materije. Zvezda tada eksplodira u obliku supernove, a ono što ostane je crna rupa nešto manje mase. Crne rupe zauzimaju mnogo manji prostor od zvezda iz kojih su nastale, a materija u njihovom središtu je stisnuta do tačke koja se naziva singularitetom. Ovu gustoću možemo nazreti ako pokušamo zamisliti zvezdu 10 puta veće mase od Sunca zbijenu u sferu prečnika Njujorka.
Manje zvezde na kraju svojeg života nemaju dovoljnu masu da stvore crne rupe jer sile gravitacije u njima nisu dovoljno jake da bi nadvladale nuklearne sile u materiji od koje su sastavljene. One obično završavaju kao neutronske zvezde velike gustine, ali ne tolike da bi se formirale crne rupe. Tu vredi pravilo da, ako ostatak jezgra zvezde nakon eksplozije supernove ima masu manju od oko 3,2 mase Sunca, tada se formira neutronska zvezda; ukoliko je ostatak masivniji, urušiće se u crnu rupu.Crne rupe su sfere koje imaju toliko snažnu gravitaciju da ništa što im se dovoljno približi više ne može pobeći, uključujući svetlost. Ravan oko crne rupe iz koje više nema povratka naziva se horizontom događaja. Možemo zamisliti kao mesto u reci u blizini vodopada nakon kojeg nas više nikakvo plivanje uzvodno protiv struje ne može spasiti.
Hokingovo zračenje
U početku su se crne rupe smatrale jednostavnim telima koja imaju samo tri svojstva – masu, ugaonu količinu kretanja ili zamah i električni naboj.Slavni fizičar DŽon Viler opisao je taj nedostatak oslika rekavši da „crne rupe nemaju kosu”.U prvoj polovini 20. vekaa smatralo se da iz crnih rupa nikada ništa ne izlazi. Međutim, to se promenilo 1974. kada je britanski naučnik Stiven Hoking ustvrdio da crne rupe zrače. To zračenje kasnije je postalo poznato kao Hokingovo zračenje.Kako ono nastaje?
Prema kvantnoj mehanici, princip neodređenosti dozvoljava da se u praznom prostoru stalno stvaraju parovi čestica i antičestica. U normalnim okolnostima one se vrlo brzo sudare, anihiliraju i nestanu. Međutim, vrlo blizu horizonta događaja neke od tih čestica koje nastaju u parovima mogla bi progutati crna rupa, dok bi druge mogle odleteti u svemir. Kvantno-mehanička priroda prostor-vremena koji je zakrivljen masom crne rupe čini da čestice koje upadnu u crnu rupu imaju negativnu energiju (antičestice), što znači da oduzimaju masu crnoj rupi. One koje pobegnu su čestice s pozitivnom energijom i sačinjavaju Hokingovo zračenje (grafika dole). U ovom procesu, koji je užasno spor, crne rupe gube masu dok istovremeno zrače Hokingovo zračenje. To se može uporediti s isparavanjem vode iz lonca na štednjaku. Što je crna rupa veća, to je njeno isparavanje sporije. Drugim rečima, veće crne rupe su hladnije i manje zrače, a manje toplije i zrače brže. Neke manje crne rupe već su isparile tokom trajanja svemira, dok će velike nestati dugo nakon nestanka poslednjih zvezda u svemiru.
Gubitak informacija
Kada bi crne rupe uistinu bile jednostavna tela, bez „kose”, to bi značilo da iz njih ne bismo mogli doznati gotovo nikakve informacije o zvezdama iz kojih su nastale. Naime, ako su jedine informacije koje znamo njihova masa, zamah i električni naboj, onda ne znamo gotovo ništa – mnoge različite zvezde mogu zadovoljavati ta tri svojstva. No, izvorna zvezda iz koje je nastala crna rupa složeno je astrofizičko telo, sastavljena od komplikovanog aranžmana protona, elektrona i neutrona što se udružuju i formiraju elemente za gradnju njenog hemijskog sastava.Tu dolazimo do paradoksa gubitka informacija.
Šta su u fizičkom kontekstu informacije? To su, pored ostalog, podaci o aranžmanu čestica. Primerice, atomi ugljenika mogu se poređati tako da čine grafit ili da čine dijamant. Atomi su isti, a razlika je u tome kako su posloženi, što nazivamo informacijom. Kada ne bi postojale takve informacije, u svemiru bi sve bilo bezlično.
Pravila kvantne fizike kažu da se informacije ne mogu jednostavno izbrisati iz svemira. Prema zakonima kvantne fizike, iz određenog stanja nekog sistema odnosno tijela možemo dobiti informacije šta je bilo pre i šta će nastati posle. To je zapisano u talasnim funkcijama čestica. Na primer, možete zapaliti novinski list papira tako da se on pretvori u pepeo. Na prvi pogled čini se da su informacije o listu papira izgubljene. Međutim, kada bismo zabeležili sve detalje u toj reakciji, od sastava i količine pepela, preko vatre do dima, teorijski bismo mogli rekonstruisati list sa svim slovima.
Kako smo naveli, ako su crne rupe stvarno jednostavne odnosno ćelave, onda iz njih ne možemo dobiti gotovo nikakve informacije o telima od kojih su nastale. Hokingovo zračenje je tu odškrinulo prozor za mogućnost da informacije ne nestaju za sva vremena. Problem je u tome što on u svojim proračunima nije uzeo u obzir kvantnu gravitaciju, pa je ispalo da je zračenje termalno, a ono takođe ne sadrži korisne informacije. Zračenje se, međutim, smatra termalnim kada su njegova termalna svojstva potpuno opisana samo temperaturomm u tome se ne može sačuvati ili pročitati informaciju o procesu. U klasičnoj termodinamici idealno telo koje emituje termalno zračenje poznato je kao crno telo, što nije povezano s pojmom crnih rupa, ali Hokingovo otkriće je ponudilo još jedan primer crnog tela – crne rupe.
Kada se uzme u obzir da u toku dugih vremenskih razdoblja crne rupe potpuno ispare kroz Hokingovo zračenje i na kraju ostane samo vakuum, konačan rezultat mogao bi biti da su sve informacije o svemiru i njegovom razvoju potpuno nestale, a to nije u skladu sa zakonima fizike. Štaviše, da bi se uopšte mogao razueti svemir, nužan uslov je da se informacije ne mogu gubiti. Naprotiv, teoretski bi morala postojati mogućnost da se prikupe sve informacije o svim česticama koje trenutno postoje u svemiru i da se na temelju toga ispriča detaljna povest celog od Velikog praska nadalje.Zato je problem naizgled nestajanja informacija u crnim rupama nazvan Hokingovim paradoksom.
Rešenja za paradoks
Naučnici su u minulih nekoliko decenija predlagali različita rešenja za ovaj paradoks.Prema jednima, informacije bi u crnim rupama doista mogle biti zauvek izgubljene, a to bi značilo da bi s morali potpuno preformulirsati zakone fizike.Prema drugima, crne rupe bi mogle poroditi manje crne rupe koje bi postale seme nekih novih svemira, pa bi informacije mogle završiti u njima.Prema trećima, informacije bi mogle ostati zapisane na površini crne rupe poput svojevrsnog holograma. No to bi, isto tako, podrazumevalo da treba promeniti razumecanje svemira; pored ostalog, to bi moglo značiti da je ceo svemir hologram.
Pojedini nučnici, međuzim, smatraju da su potrebne korekcije Hokingovih proračuna, da crne rupe nisu ćelave, već da imaju „kosu”u kojoj postoje naizgled izgubljene informacije.Naime, Ksavije Kalme, profesor fizike na Univerzitetu Saseks, i Stiv Su, profesor teorijske fizike na Državnom univerzitetu Mičigen, od 2021. rešavaju Hokingov paradoks kroz potragu za „kosom” crnih rupa.U studiji koja je prethodila ovoj u članku, objavljenoj u martu 2022, oni su ustvrdili da crne rupe doista imaju „kvantnu kosu”u vidu jedinstvenog kvantnog otiska u gravitacioim poljima koja ih okružuju.
Rečeni autori su zaključili da u Hokingov proračun treba uneti korekcije za kvantnu gravitaciju. „Iako su te kvantne gravitacione korekcije minijaturne, one su ključne za isparavanje crne rupe”, objasnio je Kalme. „Pokazali smo da ti efekti modifikuju Hokingovo zračenje tako da ono postaje netermalno. Drugim rečima, uzimajući u obzir kvantnu gravitaciju, zračenje može sadržati informacije.” U novom istraživanju istraživački dvojac je načinio još jedan važan korak. Naime, dok je kvantna kosa predstavljena u njegovom prethodnom radu bila apstraktan matematički koncept, sada je identifikovan tačan fizički fenomen pomoću kojeg informacije beže iz crne rupe putem Hokingovog zračenja i kako ih spoljšnji posmatrač možr pronaći. Trenutno to nije moguće izvesti, jer potreban izuzetno osetljiv instrument kakav je za sada nemoguće napraviti. No, Kalme predlaže da se nova naučna pretpostavka može proveriti i unapređivati u simulacijama crnih rupa u laboratorijama.
(Indeks)
