Αποσπώντας στοιχεία από μια μαύρη τρύπα

Πηγή: PhysicsWeb, 2 Μαρτίου 2006

Κβαντικές πληροφορίες θα μπορούσαν να ανακτηθούν από μια μαύρη τρύπα, σύμφωνα με τους νέους υπολογισμούς ενός θεωρητικού φυσικού στις ΗΠΑ. Ο Seth Lloyd του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης έχει διαπιστώσει ότι μόνο ένα μικροσκοπικό ποσό πληροφοριών -- ακριβώς το μισό ενός κβαντικού bit, ή qubit -- χάνεται από τη μαύρη τρύπα ανεξάρτητα από τα πόσα bits ξεκίνησαν για να πέσουν μέσα στην οπή. Η απροσδόκητη αυτή ανακάλυψη σημαίνει ότι μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να συμπεριφερθεί ως κάποιος καλός κβαντικός υπολογιστής και να χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει χρήσιμους υπολογισμούς -- φυσικά εάν ξέραμε πώς να τον προγραμματίσουμε (Phys. Rev. Lett. 96 061302).

Από τότε που ο Stephen Hawking έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν, οι φυσικοί έχουν αναρωτηθεί εάν η ακτινοβολία αυτή περιέχει πληροφορίες για την ύλη που σχηματίζει τη μαύρη τρύπα.

"Είναι μια ερώτηση που έχει συναρπάσει πολλούς ερευνητές και έχει προσφέρει συναρπαστικές διαμάχες", λέει ο Lloyd. Αυτό το πρόβλημα ήταν γνωστό ως το παράδοξο των πληροφοριών της μαύρης τρύπας από τη δεκαετία του '70, όταν εφάρμοσε ο Hawking την κβαντική θεωρία στις μαύρες τρύπες.

Η κλασσική φυσική λέει ότι οι μαύρες τρύπες είναι περιοχές του διαστήματος όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που τίποτα, ακόμη και το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από τον "ορίζοντα γεγονότων" που περιβάλλει την τρύπα. Εντούτοις, ο Hawking έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες έχουν στην πράξη μια θερμοκρασία, που σημαίνει ότι εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία (που τώρα είναι γνωστή ως "ακτινοβολία Hawking") και γι αυτό τελικά πρέπει να εξατμιστούν.

Δεξιά: Ένα ζεύγος σωματιδίου (p) - αντισωματιδίου (a) φανερώνεται στην άκρη του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, γιατί  εικονικά σωματίδια δανείζονται ενέργεια από μια μαύρη τρύπα και γίνονται πραγματικά ακριβώς στην άκρη του ορίζοντα γεγονότων (δηλαδή στο όριο που χωρίζει το "εσωτερικό" από το "εξωτερικό" χώρο μιας μαύρης τρύπας). Το ένα όμως σωματίδιο χάνεται μέσα στη μαύρη τρύπα ενώ το άλλο διαφεύγει. Αυτός τελικά είναι ο μηχανισμός της ακτινοβολίας Hawking

Ο Hawking αρχικά θεώρησε ότι αυτή η ακτινοβολία δεν περιείχε καμιά πληροφορία. Αυτό σήμαινε ότι οποιεσδήποτε πληροφορίες που μεταφέρονται από το φως ή την ύλη που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα πρέπει να εξαφανιστούν για πάντα -- ακόμα κι αν αυτό θα παραβίαζε την κβαντομηχανική. Το 2004, εντούτοις, ο Hawking αναγνώρισε δημόσια το λάθος του και είπε ότι οι πληροφορίες τελικά μπορούν να δραπετεύσουν από μια μαύρη τρύπα. Στην αναγγελία της μεταβολής της άποψης του, έχασε επίσης κι ένα στοίχημα που είχε βάλει αυτός και ο θεωρητικός του Caltech Kip Thorne μαζί με τον John Preskill (επίσης του Caltech) για τις μαύρες τρύπες.

Οι νέοι υπολογισμοί του Lloyd δείχνουν ότι η ακτινοβολία του Hawking περιέχει μια επεξεργασμένη μορφή των πληροφοριών που εισήλθαν μέσα στη μαύρη τρύπα και ότι αυτές οι πληροφορίες δραπετεύουν από τη μαύρη τρύπα μέσω ενός μοντέλου που ονομάζεται "προβολή τελικής κατάστασης". Αυτή η υπόθεση λέει ότι οι κβαντικές πληροφορίες μπορούν να πάρουν μια ορισμένη τελική κατάσταση μόνο στις 'ιδιομορφίες" ή στις "ανωμαλίες", όπως συναντώνται στο τέλος του σύμπαντος ή υπάρχουν στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας.

Η άποψη ότι οι πληροφορίες μπορούν να δραπετεύσουν από μια μαύρη τρύπα μέσω αυτού του μοντέλου υποβλήθηκε αρχικά το 2004 από τους αμερικανούς φυσικούς Gary Horowitz και Juan Maldacena, αλλά επικρίθηκε επειδή οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πληροφοριών μέσα στη μαύρη τρύπα και της ακτινοβολίας Hawking κατάφεραν να παρεμποδίσουν τη διαφυγή των πληροφοριών. Επιπλέον, η υπόθεση της προβολής της τελικής κατάστασης είναι αμφισβητούμενη εφ' αυτού επειδή επιτρέπει προφανώς τις πληροφορίες που δραπετεύουν από μια μαύρη τρύπα να ταξιδεύουν πιο γρήγορα από το φως.

Με τη χρησιμοποίηση τεχνικών από τη θεωρία της κβαντομηχανικής -- ειδικότερα, την κβαντική τηλεμεταφορά -- ο Lloyd έχει υπερνικήσει αυτά τα προβλήματα. Έχει δείξει ότι όλες, ή σχεδόν όλες, οι πληροφορίες που εισέρχονται σε μια μαύρη τρύπα είναι "πεπλεγμένες" με την ακτινοβολία Hawking και διατηρείται. Καθώς η μαύρη τρύπα εξατμίζεται, οι πληροφορίες που δραπετεύουν μπορούν να ανακτηθούν με μια πιστότητα 0.85. Αυτό σημαίνει ότι μόνο για ένα bit πληροφοριών χάνονται, ανεξάρτητα από τα πόσα bit ξεκίνησαν για να πέσουν στην τρύπα.

Σύμφωνα με τον Lloyd, το αποτέλεσμα σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν μια μέρα να λειτουργήσουν σαν επεξεργαστές πληροφοριών. Εντούτοις, η γνώση του πως να τους προγραμματίσουμε θα εξαρτηθεί από μια πλήρη γνώση της κβαντικής βαρύτητας, την οποία δεν έχουμε ακόμα, και μια πειραματική επιβεβαίωση της προβολή τελικής κατάστασης.

Σύμφωνα με τη σχετικότητα, η μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή του χώρου με τόσο ισχυρή βαρύτητα ώστε τίποτε, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Ο Hawking, όμως, συνέλαβε την ιδέα ότι η αρχή της απροσδιοριστίας καθιστά δύσκολη τη διαπίστωση του κατά πόσον ένα κβαντικό σωματίδιο βρίσκεται εντός ή εκτός μιας μαύρης τρύπας. Έτσι, σε αδρές γραμμές, απέδειξε ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να εκπέμπει σωματίδια με κβαντικό μήκος κύματος, της τάξεως της ακτίνας της μαύρης τρύπας. Από πρακτική άποψη, η ακτινοβολία Hawking δεν συνεπάγεται σημαντικές τροποποιήσεις στους υπολογισμούς των περισσότερων αστροφυσικών: μια μαύρη τρύπα ίσης μάζας με τον Ήλιο θα έχει ακτίνα της τάξεως του 1 χιλιομέτρου και θα εκπέμπει σωματίδια με θερμοκρασία μικρότερη του εκατομμυριοστού του βαθμού Kelvin. Η μεγάλη αξία της ανακάλυψης του Hawking για τη φυσική έγκειται στο ότι μετέτρεψε το αδιαπέραστο φράγμα που είχε ορθώσει η σχετικότητα γύρω από τη μαύρη τρύπα σε ασαφές, πορώδες, κβαντικό φράγμα.

Όσον αφορά για τις πληροφορίες που χάνονται σε μια μαύρη τρύπα γνωστή είναι η φράση στους κύκλους των φυσικών ότι "μια μαύρη τρύπα δεν αφήνει πίσω της ούτε τρίχα", με την έννοια ότι δεν αφήνει προεκτάσεις, ίχνη. Το θεώρημα αυτό της εξάλειψης των ιχνών έχει μεγάλη πρακτική σημασία, γιατί περιορίζει παρά πολύ τους δυνατούς τύπους που μπορεί να έχουν οι μαύρες τρύπες. Το θεώρημα αυτό σημαίνει, επίσης, ότι : μια πολύ μεγάλη ποσότητα πληροφοριών που αφορούσε το αρχικό αντικείμενο χάνεται, όταν σχηματίζεται η μαύρη τρύπα, αφού το μόνο που μπορούμε να μετρήσουμε από αυτό μετά το σχηματισμό της είναι η μάζα και ο αριθμός περιστροφής του. Επομένως οι μαύρες τρύπες δεν έχουν τρίχες.