Τι είναι οι «τριχωτές μαύρες τρύπες» και πώς επιλύουν το παράδοξο του Χόκινγκ;

Οι μαύρες τρύπες δεν είναι τίποτα άλλο από απομεινάρια άστρων πολύ μεγάλης μάζας, τα οποία κατέρρευσαν υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους όταν τα πυρηνικά τους «καύσιμα» εξαντλήθηκαν. Βασικό χαρακτηριστικό αυτών είναι η συγκέντρωση τεραστίων ποσοτήτων μάζας η οποία δημιουργεί τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο που κάνει αδύνατη τη διαφυγή ακόμα και του φωτός. Οποιοδήποτε φωτόνιο ή μάζα βρεθεί εντός αυτού του βαρυτικού πεδίου, το οποίο είναι γνωστό ως «ορίζοντας γεγονότων», αναπόφευκτα καταλήγει στη μαύρη τρύπα.

Καθώς η μαύρη τρύπα απορροφά για πάντα τα φωτόνια αλλά και τα σώματα που θα βρεθούν εντός του ορίζοντα γεγονότων, σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, καταστρέφει δια παντός και τις περισσότερες πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες σε αυτά. Από τη στιγμή που θα συμβεί αυτό κι έπειτα, οποιοσδήποτε εξωτερικός παρατηρητής δεν μπορεί να ανακτήσει τις εν λόγω πληροφορίες. Ωστόσο, σύμφωνα με την κβαντική φυσική καμία πληροφορία δεν μπορεί απλώς να εξαφανιστεί, αντιθέτως διατηρείται πάντοτε. Και αυτό είναι το «παράδοξο της χαμένης πληροφορίας» η λύση του οποίου θα συμφιλίωνε τις δύο εμβληματικές θεωρίες και, ως εκ τούτου, απασχολεί τους φυσικούς εδώ και τέσσερις δεκαετίες.

Σύμφωνα με τον Στίβεν Χόκινγκ, αυτό το παράδοξο προκύπτει από το ότι οι μαύρες τρύπες, εξαιτίας της θερμότητας που έχουν, παράγουν θερμική ακτινοβολία – γνωστή ως «ακτινοβολία Χόκινγκ». Επειδή όλα τα θερμά αντικείμενα στη φύση σταδιακά χάνουν αυτή τη θερμότητα στο διάστημα (λόγω της εντροπίας), η ύστατη μοίρα μιας μαύρης τρύπας θεωρητικά θα είναι η εξάτμισή της. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, όμως, οι πληροφορίες ποτέ δεν χάνονται. Άρα, ερχόμαστε αντιμέτωποι με το εξής παράδοξο: τι μπορεί να συμβαίνει με τις πληροφορίες ενός αντικειμένου, όταν αυτό απορροφάται από μία μαύρη τρύπα;

Οι Χόκινκ, Πέρι, Σάσα Χάκο και Άντριου Στρόμινγκερ στην τελευταία εργασία τους αποδεικνύουν ότι η εντροπία μίας μαύρης τρύπας (και η πληροφορία της) είναι δυνατόν να καταγραφεί από τα φωτόνια που περιβάλλουν τον «ορίζοντα γεγονότων» της μελανής οπής, δηλαδή το σύνορο πέρα από το οποίο το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει λόγω της τεράστιας βαρυτικής έλξης που ασκεί η μαύρη τρύπα. Τα φωτόνια αυτά, που ουσιαστικά είναι καταγραφείς της πληροφορίας των αντικειμένων, αποκαλούνται «απαλές τρίχες» (soft hair).

Βασικό ζητούμενο προς διερεύνηση είναι ο συσχετισμός πληροφορίας- εντροπίας, κατά την αποθήκευσή της ως φυσική οντότητα στις «απαλές τρίχες» αλλά ο τρόπος με τον οποίο, στη συνέχεια, αυτή η πληροφορία βγαίνει από τη μαύρη τρύπα, μετά το σβήσιμο της.

Η θεωρία του Χόκινγκ υποστηρίζει ότι, οι πληροφορίες της ύλης και του φωτός δεν καταλήγουν στη μαύρη τρύπα αλλά αποθηκεύονται με τη μορφή ολογραμμάτων, δηλαδή μιας δισδιάστατης περιγραφής των τρισδιάστατων οντοτήτων. Τα ολογράμματα μεταφέρονται στον έξω κόσμο μέσω της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και, επομένως, αποτελούν τον τελευταίο «κρίκο» του μηχανισμού που, σύμφωνα με τον Χόκινγκ, πάντα, αποτελεί και την απάντηση του παραδόξου. Ωστόσο, παρόλο που με αυτόν τον τρόπο η πληροφορία τελικά δεν εξαφανίζεται, δεν μπορεί να ανακτηθεί, μετά την «επιστροφή» της στο σύμπαν σε χαοτική και άχρηστη μορφή.

Τι είναι οι «κβαντικές τρίχες» που επιλύουν το παράδοξο του Χόκινγκ

Η νέα έρευνα, σύμφωνα με την οποία το παράδοξο επιλύεται, πηγαίνει τη θεωρία ένα βήμα παρακάτω, παρουσιάζοντας την ιδιότητα των μαύρων τρυπών που ονομάζεται «κβαντικές τρίχες» (quantum hair).  

Όπως δήλωσε αποκλειστικά στο BBC News ο Χαβιέ Καλμέ, καθηγητής του πανεπιστημίου του Σάσεξ, τα συστατικά του «νεκρού άστρου» αφήνουν ένα αποτύπωμα στο βαρυτικό πεδίο της μαύρης τρύπας που το επηρεάζουν σημαντικά. Η «κβαντική τρίχα», όπως ονομάζεται το αποτύπωμα, αντικρούει τη θεωρία που είχε αναπτύξει τη δεκαετία του 1960 ο καθηγητής Τζον Άρτσιμπαλντ Γουίλερ, του πανεπιστημίου του Πρίνστον. Ο Γουίλερ επινόησε το όνομα επειδή μεταφέρει τη μαθηματική περιγραφή μιας μαύρης τρύπας: πρόκειται για μια οντότητα που έχει μάζα, περιστροφή και φορτίο αλλά κατά τα άλλα δεν έχει άλλα φυσικά χαρακτηριστικά, μοιάζει «φαλακρή».

Η θεωρία του Καλμέ, η οποία, προκειμένου να επιβεβαιωθεί χρειάζεται χρόνο, δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters και σύμφωνα με αυτήν, η έννοια της «κβαντικής τρίχας» δείχνει να γεφυρώνει την κβαντική με τη θεωρία της σχετικότητας. Η «κβαντική τρίχα» επιτρέπει στην εσωτερική κατάσταση της μαύρης τρύπας, να επηρεάσει την ακτινοβολία Χόκινγκ έτσι ώστε οι πληροφορίες που βγαίνουν, να μην καθίστανται άχρηστες. Χαρακτηριστικά ο ίδιος ο καθηγητής σχολίασε ότι «Μία από τις συνέπειες του παραδόξου του Χόκινγκ ήταν ότι η γενική θεωρία της σχετικότητας και η κβαντομηχανική ήταν ασύμβατες. Αυτό που βρίσκουμε είναι ότι είναι πολύ συμβατές».