Δύο διάσημοι φυσικοί παρουσιάζουν τις ξεχωριστές απόψεις τους για το Σύμπαν, την εξέλιξη του και την σύγκρουση της κβαντικής θεωρίας-2ο μέρος

Από σελίδα του Scientific American

Ο STEPHEN HAWKING πάνω σε...
κβαντικές μαύρες τρύπες
κβαντική κοσμολογία
φυσική και πραγματικότητα

Ο ROGER PENROSE πάνω σε...
κβαντική θεωρία
κβαντική κοσμολογία
φυσική και πραγματικότητα

O Stephen Hawking για κβαντικές μαύρες οπές:

Η κβαντική θεωρία των μαύρων οπών...φαίνεται να οδηγεί σε ένα νέο επίπεδο μη προβλέψιμο στη φυσική πάνω και πέρα από τη συνήθη αβεβαιότητα που σχετίζεται με την κβαντική μηχανική. Και αυτό συμβαίνει γιατί οι μαύρες τρύπες εμφανίζονται να έχουν ενδογενή εντροπία και να χάνουν πληροφορία από την περιοχή του σύμπαντος μας. Θά έλεγα πως αυτές οι ιδιότητες είναι αντιφατικές: πολλοί άνθρωποι εργάζονται πάνω στη κβαντική βαρύτητα, συμπεριλαμβανομένων όλων σχεδόν αυτών που προέρχονται από την σωματιδιακή φυσική, απορρίπτουν ενστικτωδώς την ιδέα πως η πληροφορία για την κβαντική κατάσταση ενός συστήματος μπορεί να χαθεί (από την μαύρη τρύπα). Πάντως, είχαν πολύ μικρή επιτυχία στο να μας δείξουν πως η πληροφορία μπορεί να βγεί (ελευθερωθεί) από μια μαύρη τρύπα. Τελικά πιστεύω πως αυτοί θα αναγκαστούν να δεχθούν την άποψη μου ότι αυτή η πληροφορία χάνεται, όπως αυτοί αναγκάστηκαν να συμφωνήσουν πως οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν, κάτι που ήταν εναντίον των προκαταλήψεων τους.

Το γεγονός πως η βαρύτητα είναι ελκτική σημαίνει πως θα τείνει να συγκεντρώνει την ύλη στο σύμπαν μαζί για να σχηματίσει αντικείμενα όπως οι αστέρες και οι γαλαξίες. Αυτά τα σώματα μπορούν να αντιστέκονται για κάποιο χρόνο εναντίον της περαιτέρω συστολή τους λόγω θερμικής πίεσης, στην περίπτωση των άστρων, ή με περιστροφή και εσωτερικές κινήσεις, στην περίπτωση των γαλαξιών. Πάντως, τελικά σιγά-σιγά η θερμότητα ή η στροφορμή χάνεται και το αντικείμενο θα αρχίσει την συρρίκνωση. Εαν η μάζα ενός αντικειμένου είναι περίπου μιάμιση φορά της μάζας του Ηλιου, η συρρίκνωση μπορεί να σταματήσει από την πίεση των ηλεκτρονίων ή νετρονίων της ύλης. Το αντικείμενο θα καταλήξει να γίνει ένας λευκός νάνος ή ένας  αστέρας νετρονίων, αντίστοιχα. Πάντως, εάν η μάζα είναι μεγαλύτερη από αυτό το όριο, τότε δεν υπάρχει τίποτε να μπορεί να σταματήσει την συρρίκνωση του. Από ένα κρίσιμο μέγεθος και μετά, το βαρυτικό πεδίο στην επιφάνεια του θα γίνει τόσο ισχυρό, που οι κώνοι του φωτός θα κλίνουν προς τα μέσα.... Μπορείται να δείτε πως οι εξωτερικές φωτεινές ακτίνες λυγίζουν η μία προς την άλλη, και έτσι συγκλίνουν μάλλον παρά αποκλίνουν. Αυτό σημαίνει πως υπάρχει μια κλειστή επιφάνεια παγίδευσης....

Υπάρχει έτσι μια περιοχή του χωρόχρονου από την οποία δεν είναι δυνατόν να διαφύγει τίποτε προς το άπειρο. Αυτή η περιοχή λέγεται μαυρη οπή. Το όριο της λέγεται ορίζοντας γεγονότων και είναι μια n μηδενική επιφάνεια που σχηματίζεται από τις ακτίνες φωτός που δεν μπορούν να διαφύγουν προς το άπειρο...Τα Computer animations μπορούν να ξεκαθαρίσουν μερικά παράξενα φαινόμενα.

Ενα μεγάλο ποσό της πληροφορίας χάνεται όταν ένα σώμα καταρρέει σχηματίζοντας μια μαυρη τρύπα. Το σώμα που κατέρρευσε περιγράφεται από ένα μεγάλο αριθμό παραμέτρων. Υπάρχουν τα είδη της ύλης και οι πολυπολικές ορμές της κατανομής της μάζας. Ακόμη η μαυρη τρύπα που σχηματίζεται είναι τελείως ανεξάρτητη του είδους της ύλης και γρήγορα χάνουν όλες τις πολυπολικές ορμές εκτός των πρώτων δύο: τη μονοπολική ορμή, δηλαδή τη μάζα, και τη διπολική ορμή, που  είναι η γωνιακή ορμή (στροφορμή). 

Αυτή η απώλεια της πληροφορίας δεν είναι ζήτημα για την κλασσική θεωρία. Γιατί θα μπορούσε κάποιος να πει πως όλη η πληροφορία σχετικά με το καταρρέον σώμα βρίσκεται εντός τής μαύρης οπής. Θα ήταν βέβαια πολύ δύσκολο για ένα παρατηρητή εκτός της μαύρης τρύπας να καθορίσει τι γινόταν με το καταρρέον σώμα.  Πάντως, στην κλασσική θεωρία ήταν ακόμη αυτό δυνατόν. Ο παρατηρητής ποτέ δεν θα έχανε από τα μάτια του το καταρρέον σώμα. Γιατί το σώμα θα εμφανιζόταν να επιβραδύνεται συνεχώς καθώς προσεγγίζει τον ορίζοντα γεγονότων. Αλλά ο παρατηρητής θα μπορούσε να δει ακόμη από τι είναι φτιαγμένο το σώμα και πως είναι κατανεμημένη η μάζα του.

Ομως, η κβαντική θεωρία άλλαξε όλα αυτά. Πρώτα, το καταρρέον σώμα θα έστελνε προς τα έξω μόνο λίγα φωτόνια πριν χαθεί από τον ορίζοντα γεγονότων. Αυτά θα είναι εντελώς ανεπαρκή να μεταφέρουν όλη την πληροφορία από το καταρρέον σώμα. Αυτό σημαίνει πως στην κβαντική θεωρία δεν υπάρχουν τρόποι να αποτυπώσει (εξακριβώσει) κάποιος εξωτερικός παρατηρητής την κατάσταση του καταρρέοντος σώματος. Θα μπορούσε κάποιος να νομίσει πως αυτό δεν είναι και τόσο σημαντικό αφού η πληροφορία θα βρίσκεται πάντα μέσα στο εσωτερικό της μαύρης οπής, ακόμη και αν δεν μπορούσε κάποιος να την εξακριβώσει (μετρήσει) απέξω. Αλλά αυτό είναι το σημείο που επεμβαίνει η κβαντική θεωρία για δεύτερη φορά...

Η κβαντική θεωρία αποδεικνύει πως οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν και χάνουν μάζα. Φαίνεται πως αυτές ενδεχομένως θα εξαφανιστούν πλήρως, παίρνοντας μαζί τους την πληροφορία  στο εσωτερικό τους. Θα δώσω  την απόδειξη πως αυτή η πληροφορία πραγματικά χάνεται και δεν ξαναβγαίνει με κανένα τρόπο. Θα υποστηρίξω πως αυτή η απώλεια της πληροφορίας εισάγει ένα νέο επίπεδο αβεβαιότητας στη φυσική, διαφορετικό και πέρα από τη συνηθισμένη αβεβαιότητα που σχετίζεται με την κβαντική θεωρία. Ατυχώς, αντίθετα με την αρχή αβεβαιότητας του Ηeisenberg, αυτό το extra (νέο) επίπεδο θα είναι μάλλον δύσκολο να επιβεβαιωθεί πειραματικά στην περίπτωση των μαύρων οπών.

Ο Roger Penrose για την κβαντική θεωρία και τον χωρόχρονο.

Οι μεγαλύτερες φυσικές θεωρίες του 20ου αιώνα είναι η qκβαντική θεωρία(ΚΘ), η ειδική σχετικότητα(ΕΣ), η γενική σχετικότητα(ΓΣ) και η κβαντική θεωρία πεδίου(ΚΘΠ). Αυτές οι θεωρίες δεν είναι ανεξάρτητες η μια από την άλλη: η γενική σχετικότητα προέρχεται από την ειδική, και η κβαντική θεωρία πεδίου χρησιμοποιεί την ειδική σχετικότητα και την κβαντική θεωρία.

Εχει λεχθεί πως η ΚΘΠ είναι η πιό ακριβής φυσική θεωρία που έγινε ποτέ, με μια ακρίβεια της τάξης ένα προς 10¹¹. Πάντως, θα ήθελα να δείξω πως η ΓΣ έχει δοκιμαστεί και έχει επιδείξει μια ακρίβεια της τάξης του ένα προς 10¹⁴ (και αυτή η ακρίβεια περιορίζεται από την ακρίβεια των ρολογιών πάνω στη Γη). Ομιλώ για τον διπλό πάλσαρ του Hulse-Taylor PSR 1913+16, ένα ζεύγος αστέρων νετρονίων που περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλο, που και οι δύο είναι ένας pulsar.

Η ΓΣ προβλέπει πως αυτή η τροχιά τους αργά-αργά μειώνεται (και η περίοδος ελαττώνεται) επειδή ενέργεια χάνεται μέσω της εκπομπής των βαρυτικών κυμάτων. Αυτό το φαινόμενο πράγματι έχει παρατηρηθεί, και συνολική περιγραφή της κίνησης...συμφωνεί με την ΓΣ (που θεωρώ πως περικλείει την Νευτωνική θεωρία) με την αξιομνημόνευτη ακρίβεια που σημειώνω πιό πάνω, σε μια συγκεντρωτική περίδο 20 ετών. Οι ανακαλύψεις του συστήματος αυτού έχουν σωστά βραβευτεί με βραβείο Νobel για τους Hulse-Taylor. Οι κβαντικοί θεωρητικοί πάντα ισχυρίζονταν πως η ΓΣ πρέπει να τροποποιηθεί για να προσαρμοστεί στα δικά τους, όμως τώρα πιστεύω πως η κβαντική θεωρία πρέπει να προσαρμοστεί.

Μολονότι αυτές οι τέσσερις θεωρίες είναι ιδιαίτερα πετυχημένες, δεν είναι και χωρίς τις δυσκολίες.... Η ΓΣ προβλέπει την ύπαρξη  χωροχρονικών ανωμαλιών. Στην κβαντική θεωρία υπάρχει το "μετρητικό πρόβλημα"-Θα το περιγράψω αυτό αργότερα. Μπορεί αυτό ληφθεί πως η λύση σε ποικίλα προβλήματα αυτών των θεωριών θα προέλθει από την συμπλήρωση τους. Για παράδειγμα, πολλοί προβλέπουν πως η ΚΘΠ μπορεί να "εξαφανίσει" τις ανωμαλίες της ΓΣ με τη διαδικασία της επανακανονικοποίησης....

Θα ήθελα τώρα να μιλήσουμε για την πληροφορία που χάνεται στις μαύρες τρύπες, που εγώ ισχυρίζομαι πως συνδέεται με το τελευταίο πρόβλημα της μέτρησης. Συμφωνώ σχεδόν με όλα όσα είπε ο Steven για αυτό. Αλλά ενώ ο Stephen παρατηρεί πως η απώλεια της πληροφορίας οφείλεται στις μαύρες τρύπες σαν μια extra αβεβαιότητα στη φυσική, πάνω και πέρα της αβεβαιότητας της κβαντικής θεωρίας, εγώ την βλέπω σαν μια "συμπληρωματική" αβεβαιότητα.... Είναι δυνατόν ένα μικρό bit της πληροφορίας να διαφεύγει την στιγμή της εξαέρωσης της μαύρης τρύπας...αλλά αυτή η μικρή πληροφορία που κερδίζουμε θα είναι πολύ μικρότερο από την πληροφορία που χάνεται στη κατάρρευση (την οποία θεωρώ σαν κάποια αιτία της τελικής εξαφάνισης της μαύρης τρύπας).

Εαν κλείσουμε το σύστημα σε ένα τεράστιο κουτί, κάνοντας ένα νοητικό πείραμα, μπορούμε να θεωρήσουμε μια χωρο-φασική εξέλιξη της ύλης στο εσωτερικό του κουτιού. Στην περιοχή του χώρου φάσεων που αντιστοιχεί στις περιπτώσεις όπου υπάρχει μια μαύρη τρύπα, οι τροχιές της φυσικής εξέλιξης θα συγκλίνουν και οι όγκοι που ακολουθούν αυτές τις τροχιές θα συρρικνώνονται.  Αυτό οφείλεται στην απώλεια της πληροφορίας μέσα στην ανωμαλία της μαύρης οπής. Αυτή η συρρίκνωση βρίσκεται σε κατευθείαν αντίθεση με το θεώρημα της κλασσικής μηχανικής που καλείται Θεώρημα Liouville που λέει πως οι όγκοι στο χώρο των φάσεων παραμένουν σταθεροί....Ετσι μια μαύρη τρύπα του χωρόχρονου παραβιάζει τη διατήρηση αυτή του όγκου. Πάντως, στην εικόνα μου, αυτή η απώλεια του χωρο-φασικού όγκου αντισταθμίζεται από μια διαδικασία "αυθόρμητης" κβαντικής μέτρησης όπου αποκτάται πληροφορία και οι χωρο-φασικοί όγκοι αυξάνουν.  Αυτός είναι ο λόγος που εγώ θεωρώ την αβεβαιότητα που προκύπτει από την απώλεια πληροφορίας στις μαύρες τρύπες σαν "συμπληρωματικκή" της απροσδιοριστίας της κβαντικής θεωρίας: αποτελούν τις δύο όψεις του ιδίου νομίσματος....

Ας θεωρήσουμε ένα νοητικό πείραμα το γάτο του Schroedinger.

Περιγράφει το κλείσιμο του γάτου σε ένα κουτί, όπου (ας πούμε) ένα φωτόνιο εκπέμπεται και το οποίο συναντά ένα ημιεπαργυρωμένο καθρέπτη, από όπου το μέρος της κυματοσυνάρτησης του φωτονίου που τον διαπερνά πέφτει σε έναν ανιχνευτή ο οποίος, αν ενεργοποιειθεί, αυτόματα πυροδοτεί ένα όπλο και σκοτώνει το γάτο. Εαν αποτύχει να ανιχνεύσει το φωτόνιο ο ανιχνευτής, τότε η γάτα είναι ζωντανή. (Γνωρίζω πως ο Stephen δεν εγκρίνει την κακομεταχείρηση της γάτας, ακόμη και σε ένα νοητικό πείραμα!) Η κυματοσυνάρτηση του συστήματος είναι μια υπερθεση δύο δυνατοτήτων....Αλλά γιατί η αντίληψη μας δεν μας επιτρέπει να αντιληφθούμε μακροσκοπικές υπερθέσεις όπως αυτές, και όχι μόνο τις μακροσκοπικές εναλλακτικές προτάσεις του τύπου "η γάτα είναι νεκρή" και "η γάτα είναι ζωντανή";...

Πιστεύω πως κάπου υπάρχει λάθος στις υπερθέσεις των εναλλακτικών χωροχρονικών γεωμετριών που συμβαίνουν όταν η γενική σχετικότητα αρχίζει να εμπλέκεται. Ισως μια υπερθεση των δύο διαφορετικών γεωμετριών είναι ασταθείς και διασπάται σε μια από τις δύο εναλλακτικές. Για παράδειγμα, η γεωμετρία μπορεί να είναι του χωρόχρονου για τον ζωντανό γάτο, ή για το νεκρό. Ονομάζω αυτή την αποσύνθεση (διάσπαση) σε μια από τις δύο εναλλακτικές "αντικειμενική αναγωγή", που είναι ένας όρος που μου αρέσει επειδή έχει ένα ωραίο ακρονύμιο (OR-Objective Reduction). Τώρα τι ρόλο παίζει εδώ το μήκος του Planck 10^-33 cm; Το κριτήριο της φύσης για τον καθορισμό του πότε δύο γεωμετρίες είναι διαφορετικές θα πρέπει να εξαρτάται από την κλίμακα Planck, και αυτό σταθεροποιεί το χωρόχρονο στον οποίο συμβαίνει η αναγωγή σε δύο διαφορετικές εναλλακτικές.