De beroemdste levende fysicus heeft een nieuwe manier voorgesteld om een van de meest verbijsterende puzzels in de moderne fysica op te lossen: kan een zwart gat informatie uit het universum wissen? Volgens Stephen Hawking en zijn medewerkers is het antwoord misschien nee - als je zwarte gaten een weelderige haardos geeft.
gerelateerde inhoud
- Ontsnap uit de afgrond van het zwarte gat!
- Zouden astronauten een interstellaire reis door een wormgat overleven?
"Of dit het uiteindelijke antwoord is, is ons totaal onduidelijk", zegt co-auteur Malcolm Perry, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Cambridge. "We zeggen dat het een stap in de goede richting is."
De meest elementaire beschrijving van een zwart gat zegt dat wat erin komt nooit uitkomt. Gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die beschrijft hoe zwaartekracht de kosmos beïnvloedt, is een zwart gat zo massief dat alles dat zijn rand of horizon overschrijdt, wordt aangetrokken en voor altijd verloren gaat, zelfs licht.
Toen ontdekte Hawking in de jaren zeventig dat zwarte gaten zelf kunnen verdwijnen. Dankzij de voorspellingen van de kwantummechanica denken natuurkundigen dat ruimte geen vacuüm is, maar gevuld is met zogenaamde virtuele deeltjes die in en uit het bestaan knipogen. Deze deeltjes verschijnen in paren die gedoemd zijn te vernietigen zodra ze met elkaar in contact komen. Maar als een paar aan weerszijden van de horizon van een zwart gat verschijnt, wordt de ene ingeslikt en straalt de andere de ruimte in.
De ontsnappende straling steelt energie uit het zwarte gat wanneer het vertrekt, zodat het zwarte gat na verloop van tijd massa verliest. Uiteindelijk verdampt het uit bestaan. Volgens de berekeningen van Hawking bevat de aanhoudende straling - het enige spoor van een verdwenen zwart gat - geen nuttige informatie over hoe het zwarte gat werd gevormd en wat het at.
Dat is een probleem voor natuurkundigen in de hoop relativiteit te verenigen met kwantummechanica, wat volgens de meeste deskundigen informatieverlies verbiedt. Vernietig een encyclopedie, verbrand het of verlies het tot de ongelooflijk sterke zwaartekracht van een zwart gat, en de overblijfselen moeten altijd aanwijzingen bevatten die in theorie het mogelijk maken de band terug te spoelen en de originele inhoud ervan te kennen.
Op zoek naar deze omkeerbaarheid heeft Hawking zijn oorspronkelijke berekeningen opnieuw bekeken. Toen hij zwart gat straling voorstelde, hadden wiskundige stellingen zwarte gaten geschilderd als tamelijk karakterloze entiteiten wanneer ze van buitenaf bekeken werden. Het enige dat kon worden gemeten, was de totale massa en lading van een zwart gat, evenals hoe snel het draaide.
Het nieuwe werk, dat deze week online is gepubliceerd op de pre-printsite arxiv.org, verleent het kosmische monster extra onderscheidende kenmerken die bekend staan als 'haren', in dit geval kleine veranderingen in het vacuüm net buiten de horizon van de gebeurtenis.
"We laten zien dat als je iets op de juiste manier naar een zwart gat gooit, je haar kunt implanteren", zegt theoretisch fysicus Andrew Strominger van Harvard University. Hij en zijn collega's illustreren dit met geladen deeltjes.
Net als energie kan elektrische lading niet worden gecreëerd of vernietigd. Omdat lading in het universum moet worden behouden, suggereren Hawking en zijn co-auteurs dat geladen deeltjes die de gebeurtenishorizon passeren sporen van zichzelf in de ruimte kunnen achterlaten in de vorm van vreemde lichtdeeltjes, zachte fotonen genoemd, die geen energie hebben. Deze bizarre fotonen veranderen het vacuüm van ruimtetijd en laten het informatie over de originele deeltjes bewaren.
Hawking en zijn collega's stellen voor dat het gewijzigde vacuüm informatie over driedimensionale objecten op het oppervlak van het zwarte gat zou kunnen opslaan, net zoals een hologram als een 3D-weergave van een plat beeld fungeert.
"Of de wiskunde van algemene relativiteitstheorie dat toestaat, is heel subtiel", zegt Lee Smolin, een theoretisch fysicus aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics. Smolin is in plaats daarvan voorstander van kwantumverklaringen van zwarte gaten op basis van hun centra in plaats van hun randen, en voegt eraan toe dat hij naar andere experts zal kijken om de wiskunde op het nieuwe papier te controleren.
Niemand heeft nog een fout in de berekeningen gemeld, maar er zijn zorgen begonnen op te duiken dat de theorie op zijn best onvolledig is. Sabine Hossenfelder van het Scandinavisch Instituut voor Theoretische Fysica vraagt zich af hoeveel informatie het voorgestelde zachte haar kan coderen. Ze wijst er ook op dat het papier niet uitlegt hoe de haren, die na het verdampen met het zwarte gat zouden verdwijnen, hun informatie zouden overbrengen op de resterende straling.
"Ik ben er helemaal niet van overtuigd dat het nieuwe idee van Hawking, Perry en Strominger het probleem van informatieverlies oplost, " schrijft ze op de blog Backreaction. “Maar het lijkt een interessante weg die de moeite waard is om verder te verkennen. En ik weet zeker dat we verder onderzoek zullen zien. "
