"Nie ma żadnych czarnych dziur". Nieoczekiwany zwrot Hawkinga

Większość fizyków raczej nie poważyłaby się na stwierdzenie, że "nie ma czarnych dziur" - przynajmniej w tym sensie, w jakim dotąd je sobie wyobrażaliśmy. Po przedstawieniu takiej tezy zostaliby uznani za pomyleńców. Sytuacja wygląda jednak nieco inaczej, kiedy mówi o tym jeden ze współtwórców nowoczesnej teorii czarnych dziur.

Stephen Hawking, bo o nim mowa, opublikował w internecie pracę, w której rozprawia się z pojęciem horyzontu zdarzeń, czyli otaczającej obszar czarnej dziury niewidzialnej granicy, spoza której nic nie może uciec. Zamiast niego Hawking postuluje istnienie "pozornego" horyzontu, który tylko czasowo więzi materie i energię, a w końcu je wypuszcza, choć w zniekształconej formie.

- W klasycznej teorii nie ma ucieczki z czarnej dziury. Jednak teoria kwantowa przewiduje możliwość ucieczki z niej energii i informacji - wyjaśniał Hawking w wypowiedzi dla czasopisma "Nature". Jak twierdzi, pełne wyjaśnienie tego procesu wymaga sformułowania teorii w spójny sposób opisującej działanie grawitacji i innych fundamentalnych sił działających w naturze oraz zjawisk fizycznych. Takiego uniwersalnego opisu rzeczywistości fizycy szukają już od niemal wieku. - Pozostaje on tajemnicą - przyznaje Hawking.

Najnowsza praca słynnego fizyka to próba rozwiązania problemu odkrytego w teorii czarnych dziur, zwanego paradoksem informacyjnym. Burzy on spokój fizyków już prawie od dwóch lat, od kiedy został odkryty przez fizyka Josepha Polchinskiego i jego kolegów z Kavli Institute for Theoretical Physics w Santa Barbara.

Naukowcy zastanawiali się, co mogłoby się stać z hipotetycznym astronautą, któremu zdarzyłoby się wpaść do czarnej dziury. Zgodnie z przyjmowaną dotąd koncepcją horyzontu zdarzeń, pozostającego matematyczną konsekwencją ogólnej teorii względności Einsteina, pechowiec najpierw przeszedłby gładko przez horyzont zdarzeń, a następnie zostałby stopniowo wessany do wnętrza, rozciągając się przy tym jak spaghetti. Na koniec biedaka czekałoby zgniecenie w osobliwości czarnej dziury, czyli jej hipotetycznym nieskończenie gęstym rdzeniu.

Taki przebieg zdarzeń wydawał się nie budzić wątpliwości. Kiedy jednak zespół Polchinskiego zaczął analizować go bardziej szczegółowo, okazało się, że rozpatrywanie go pod kątem praw mechaniki kwantowej całkowicie zmienia sytuację. Jak stwierdzili, według założeń teorii kwantowej wokół horyzontu zdarzeń powinien powstać obszar o wysokiej energii, nazwany "pierścieniem ognia". A zatem pechowy astronauta zamiast rozciągnąć się jak ciasto w czeluści czarnej dziury, powinien spalić się na popiół.

Takie wyjaśnienie jednak również nie jest zadowalające, bo chociaż trzyma się zasad mechaniki kwantowej, jednocześnie łamie ogólną teorię względności. Według niej swobodnie spadający obiekt powinien w każdym przypadku podlegać identycznym prawom fizyki, niezależnie od miejsca we Wszechświecie, w którym się znajdzie - czy będzie to czarna dziura, czy przestrzeń międzygalaktyczna.

Najnowsza hipoteza Hawkinga oferuje kuszące rozwiązanie, zgodne zarówno z zasadami mechaniki kwantowej, jak i z teorią względności. Trzeba tylko po prostu przyjąć, że czarne dziury nie posiadają horyzontu zdarzeń.

Kluczem do jego twierdzenia jest to, że efekty kwantowe powodują zbyt gwałtowne zmiany czasoprzestrzeni, żeby mogła przy tym zaistnieć ostra, absolutna granica oddzielająca obszar, z którego nic nie może uciec. Zamiast horyzontu zdarzeń Hawking postuluje istnienie "pozornego horyzontu", powierzchni, na której zostają zawieszone promienie światła próbujące wydostać się z czarnej dziury. - Brak horyzontu zdarzeń oznacza, że nie ma czarnych dziur - w tym znaczeniu, że światło nie może z nich uciec - podsumował naukowiec.

- Obraz, jaki przedstawia Hawking, wydaje się całkiem rozsądny - komentuje Don Page, fizyk i ekspert od czarnych dziur na Uniwersytecie Alberty w Edmonton, który współpracował z Hawkingiem w 1970 roku. - Można powiedzieć, że stwierdzenie tego, iż horyzont zdarzeń nie istnieje jest radykalne. Ale to są warunki kwantowe, a tam niejasna jest nawet kwestia, czym jest czasoprzestrzeń, a co dopiero kwestia, czy istnieje określony obszar, który można oznaczyć jako horyzont zdarzeń - wyjaśnia.

I chociaż przyjmuje propozycję Hawkinga, ze czarna dziura może istnieć bez horyzontu zdarzeń, nie jest przekonany, czy to założenie wystarcza do ominięcia "paradoksu informacyjnego". Według niego nawet obecność efemerycznego "pozornego horyzontu" może powodować takie same problemy, jak przyjmowane dotąd istnienie absolutnego horyzontu zdarzeń.

Ponieważ "pozorny horyzont", w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń, może zaniknąć, Page uważa, że nowa teza Hawkinga otwiera drogę do ekstremalnego założenia, że w zasadzie wszystko może się wydostać z czarnej dziury. Mimo że fizyk z Cambridge w swojej pracy nie precyzuje, jak dokładnie zniknie pozorny horyzont, według jego kolegi stanie się to, gdy zmniejszy się do pewnej wielkości, w której połączą się skutki działania zarówno grawitacji, jak i mechaniki kwantowej. W tym momencie to, co zostało wciągnięte do czarnej dziury, zostanie uwolnione, jednak mocno zmienione i zniekształcone.

Jeśli Hawking ma rację, istnieje nawet możliwość, że nie istnieje osobliwość czarnej dziury w jej centrum. Zatem wciągnięta przez taki obiekt materia byłaby tylko czasowo zatrzymywana za "pozornym horyzontem", przemieszczającym się stopniowo do wnętrza czarnej dziury, ale nigdy nie osiągającym jej centrum. Dlatego właśnie informacje pochodzące z pochwyconej materii nie zostałyby zniszczone, ale zniekształcone tak, że prawie niemożliwe do odtworzenia. - To byłoby gorsze niż próba zrekonstruowania książki spalonej na popiół - tłumaczy Page.

Sam Hawking porównuje taki potencjalny proces do próby przewidywania fizyki atmosfery - choć teoretycznie takie prognozowanie jest możliwe, w praktyce jest to zbyt trudne do zrobienia z dużą dokładnością. Stąd wątek "pogodowy" w tytule artykułu Hawkinga: "Zachowanie informacji i prognoza pogody dla czarnych dziur" ("Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes").

Jednak Joseph Polchinski, naukowiec z zespołu, który przeprowadził kluczową dla pracy Hawkinga analizę losów "więźnia" czarnej dziury, jest sceptyczny co do tego, że czarne dziury bez horyzontu zdarzeń mogą istnieć w przyrodzie. - Rodzaj gwałtownych zmian niezbędnych do ich zlikwidowania jest zbyt rzadki we Wszechświecie - twierdzi. - W grawitacji Einsteina horyzont czarnej dziury nie różni się aż tak bardzo od innych części kosmosu - dodaje.

Autor: js/mj / Źródło: nature.com