Хокингов парадокс зрчења решен је уношењем квантне гравитације у прорачуне чувеног физичара, што је у сагласју с важећим физичким законима за наш свемир.
Према новом научном раду, међународни тим је решио највећи парадокс црних рупа, познат као Хокингов парадокс губитка информација. Ново истраживање, објављено 6. марта у часопису Physics Letters B, показало је да информације како су настале црне рупе не нестају у црним рупама. Оне би могле бити садржане у зрачењу у околини црних рупа, популарно названој „квантна коса”, што пак значи да би се на темељу њих могло дешифрирати из каквих су ела црне рупе настале и штоа су све прогутале. Тиме би били задовољени захтеви класичне и квантне физике према којима информације у свемиру не би смеле нестајати. Kако настају црне рупе?
Црне рупе су тела која настају урушавањем материје у великим звездама, значајно већим од Сунца. Kада таквим звездама понестане нуклеарног горива, унутрашњи притисак, стваран у процесима фузије, ослаби, превладају силе гравитације и почне урушавање материје. Звезда тада експлодира у облику супернове, а оно што остане је црна рупа нешто мање масе. Црне рупе заузимају много мањи простор од звезда из којих су настале, а материја у њиховом средишту је стиснута до тачке која се назива сингуларитетом. Ову густоћу можемо назрети ако покушамо замислити звезду 10 пута веће масе од Сунца збијену у сферу пречника Њујорка.
Мање звезде на крају својег живота немају довољну масу да створе црне рупе јер силе гравитације у њима нису довољно јаке да би надвладале нуклеарне силе у материји од које су састављене. Оне обично завршавају као неутронске звезде велике густине, али не толике да би се формирале црне рупе. Ту вреди правило да, ако остатак језгра звезде након експлозије супернове има масу мању од око 3,2 масе Сунца, тада се формира неутронска звезда; уколико је остатак масивнији, урушиће се у црну рупу. Црне рупе су сфере које имају толико снажну гравитацију да ништа што им се довољно приближи више не може побећи, укључујући светлост. Раван око црне рупе из које више нема повратка назива се хоризонтом догађаја. Можемо замислити као место у реци у близини водопада након којег нас више никакво пливање узводно против струје не може спасити.
Хокингово зрачење
У почетку су се црне рупе сматрале једноставним телима која имају само три својства – масу, угаону количину кретања или замах и електрични набој. Славни физичар Џон Вилер описао је тај недостатак ослика рекавши да „црне рупе немају косу”. У првој половини 20. векаа сматрало се да из црних рупа никада ништа не излази. Међутим, то се променило 1974. када је британски научник Стивен Хокинг устврдио да црне рупе зраче. То зрачење касније је постало познато као Хокингово зрачење. Kако оно настаје?
Према квантној механици, принцип неодређености дозвољава да се у празном простору стално стварају парови честица и античестица. У нормалним околностима оне се врло брзо сударе, анихилирају и нестану. Међутим, врло близу хоризонта догађаја неке од тих честица које настају у паровима могла би прогутати црна рупа, док би друге могле одлетети у свемир. Kвантно-механичка природа простор-времена који је закривљен масом црне рупе чини да честице које упадну у црну рупу имају негативну енергију (античестице), што значи да одузимају масу црној рупи. Оне које побегну су честице с позитивном енергијом и сачињавају Хокингово зрачење (графика доле). У овом процесу, који је ужасно спор, црне рупе губе масу док истовремено зраче Хокингово зрачење. То се може упоредити с испаравањем воде из лонца на штедњаку. Што је црна рупа већа, то је њено испаравање спорије. Другим речима, веће црне рупе су хладније и мање зраче, а мање топлије и зраче брже. Неке мање црне рупе већ су испариле током трајања свемира, док ће велике нестати дуго након нестанка последњих звезда у свемиру.
Губитак информација
Kада би црне рупе уистину биле једноставна тела, без „косе”, то би значило да из њих не бисмо могли дознати готово никакве информације о звездама из којих су настале. Наиме, ако су једине информације које знамо њихова маса, замах и електрични набој, онда не знамо готово ништа – многе различите звезде могу задовољавати та три својства. Но, изворна звезда из које је настала црна рупа сложено је астрофизичко тело, састављена од компликованог аранжмана протона, електрона и неутрона што се удружују и формирају елементе за градњу њеног хемијског састава. Ту долазимо до парадокса губитка информација.
Шта су у физичком контексту информације? То су, поред осталог, подаци о аранжману честица. Примерице, атоми угљеника могу се поређати тако да чине графит или да чине дијамант. Атоми су исти, а разлика је у томе како су посложени, што називамо информацијом. Kада не би постојале такве информације, у свемиру би све било безлично.
Правила квантне физике кажу да се информације не могу једноставно избрисати из свемира. Према законима квантне физике, из одређеног стања неког система односно тијела можемо добити информације шта је било пре и шта ће настати после. То је записано у таласним функцијама честица. На пример, можете запалити новински лист папира тако да се он претвори у пепео. На први поглед чини се да су информације о листу папира изгубљене. Међутим, када бисмо забележили све детаље у тој реакцији, од састава и количине пепела, преко ватре до дима, теоријски бисмо могли реконструисати лист са свим словима.
Како смо навели, ако су црне рупе стварно једноставне односно ћелаве, онда из њих не можемо добити готово никакве информације о телима од којих су настале. Хокингово зрачење је ту одшкринуло прозор за могућност да информације не нестају за сва времена. Проблем је у томе што он у својим прорачунима није узео у обзир квантну гравитацију, па је испало да је зрачење термално, а оно такође не садржи корисне информације. Зрачење се, међутим, сматра термалним када су његова термална својства потпуно описана само температуромм у томе се не може сачувати или прочитати информацију о процесу. У класичној термодинамици идеално тело које емитује термално зрачење познато је као црно тело, што није повезано с појмом црних рупа, али Хокингово откриће је понудило још један пример црног тела – црне рупе.
Kада се узме у обзир да у току дугих временских раздобља црне рупе потпуно испаре кроз Хокингово зрачење и на крају остане само вакуум, коначан резултат могао би бити да су све информације о свемиру и његовом развоју потпуно нестале, а то није у складу са законима физике. Штавише, да би се уопште могао разуети свемир, нужан услов је да се информације не могу губити. Напротив, теоретски би морала постојати могућност да се прикупе све информације о свим честицама које тренутно постоје у свемиру и да се на темељу тога исприча детаљна повест целог од Великог праска надаље. Зато је проблем наизглед нестајања информација у црним рупама назван Хокинговим парадоксом.
Решења за парадокс
Научници су у минулих неколико деценија предлагали различита решења за овај парадокс. Према једнима, информације би у црним рупама доиста могле бити заувек изгубљене, а то би значило да би с морали потпуно преформулирсати законе физике. Према другима, црне рупе би могле породити мање црне рупе које би постале семе неких нових свемира, па би информације могле завршити у њима. Према трећима, информације би могле остати записане на површини црне рупе попут својеврсног холограма. Но то би, исто тако, подразумевало да треба променити разумецање свемира; поред осталог, то би могло значити да је цео свемир холограм.
Поједини нучници, међузим, сматрају да су потребне корекције Хокингових прорачуна, да црне рупе нису ћелаве, већ да имају „косу” у којој постоје наизглед изгубљене информације. Наиме, Ксавиje Калме, професор физике на Универзитету Сасекс, и Стив Су, професор теоријске физике на Државном универзитету Мичиген, од 2021. решавају Хокингов парадокс кроз потрагу за „косом” црних рупа. У студији која је претходила овој у чланку, објављеној у марту 2022, они су устврдили да црне рупе доиста имају „квантну косу” у виду јединственог квантног отиска у гравитациоим пољима која их окружују.
Речени аутори су закључили да у Хокингов прорачун треба унети корекције за квантну гравитацију. „Иако су те квантне гравитационе корекције минијатурне, оне су кључне за испаравање црне рупе”, објаснио је Калме. „Показали смо да ти ефекти модификују Хокингово зрачење тако да оно постаје нетермално. Другим речима, узимајући у обзир квантну гравитацију, зрачење може садржати информације.” У новом истраживању истраживачки двојац је начинио још један важан корак. Наиме, док је квантна коса представљена у његовом претходном раду била апстрактан математички концепт, сада је идентификован тачан физички феномен помоћу којег информације беже из црне рупе путем Хокинговог зрачења и како их спољшњи посматрач можр пронаћи. Тренутно то није могуће извести, јер потребан изузетно осетљив инструмент какав је за сада немогуће направити. Но, Калме предлаже да се нова научна претпоставка може проверити и унапређивати у симулацијама црних рупа у лабораторијама.
(Индекс)
