Wyjście awaryjne z czarnej dziury: Inny wszechświat?

Śmiała sugestia Hawkinga i dlaczego wciąż o niej rozmawiamy

Kiedy Stephen Hawking po raz pierwszy ogłosił, że czarne dziury emitują promieniowanie termiczne, wywrócił do góry nogami założenia całego stulecia: obiekty, o których niegdyś myślano, że na zawsze ukrywają wszelkie informacje, mogą powoli parować. To spostrzeżenie zrodziło współczesny paradoks informacyjny – jeśli promieniowanie Hawkinga jest rzeczywiście losowe, kwantowe szczegóły wszystkiego, co wpadło do dziury, zostałyby bezpowrotnie utracone, a prawa mechaniki kwantowej przestałyby obowiązywać. W ciągu ostatnich kilku dekad paradoks ten był motorem napędowym niektórych z najciekawszych osiągnięć fizyki teoretycznej: holografii, komplementarności, obliczeń splątania, a ostatnio także koncepcji „wysp” splątania, które wynoszą informację z wnętrza dziury.

Dlaczego ten paradoks miał znaczenie

Napięcie to jest łatwe do sformułowania, ale ma głębokie konsekwencje. Teoria kwantowa nalega, aby procesy fizyczne były unitarne: znajomość teraźniejszości pozwala, przynajmniej w teorii, zrekonstruować przeszłość. Ogólna teoria względności, w półklasycznych obliczeniach Hawkinga, zdawała się wykazywać coś przeciwnego w przypadku czarnych dziur. Gdyby informacja rzeczywiście ginęła, podstawowe filary fizyki – mechanika statystyczna i sama teoria kwantowa – znalazłyby się w tarapatach. Rezultatem były trwające dziesięciolecia zmagania intelektualne między zwolennikami różnych punktów widzenia: niektórzy twierdzili, że informacja musi zostać zniszczona, inni zaś, że jest ona kodowana w subtelnych korelacjach lub na horyzoncie.

Od paradoksu do roboczego konsensusu: informacja wydostaje się na zewnątrz

Dwa wątki z ostatnich dziesięciu lat skłoniły wielu teoretyków do wypracowania praktycznego konsensusu: efekty kwantowej grawitacji, jakkolwiek małe, mogą zmodyfikować pierwotne wnioski Hawkinga tak, że informacja nie zostanie utracona; a perspektywa holograficzna zapewnia solidne ramy dla wyjaśnienia, jak może do tego dochodzić. Obliczenia wykorzystujące idee korespondencji holograficznej – ścisłej równoważności między pewnymi układami grawitacyjnymi a niżejwymiarowymi kwantowymi teoriami pola – pokazują, że entropia parujących czarnych dziur podąża za krzywą Page'a, oczekiwaną dla ewolucji unitarnej. Inne podejścia, badające strukturę splątania kwantowego promieniowania, generują „wyspy” – regiony, które skutecznie kodują informacje z wnętrza w promieniowaniu wychodzącym.

Wyniki te są istotne, ponieważ zmieniają bilans: informacja o tym, co wpadło do środka, nie zostaje zniszczona. Jednak tej odpowiedzi towarzyszy istotne zastrzeżenie. Informacja jest zazwyczaj rozproszona w ogromnych obszarach przestrzeni i splątana w wykładniczo złożony sposób; zrekonstruowanie wpadniętego układu kwantowego z promieniowania byłoby zadaniem tak niewyobrażalnie trudnym, że w praktyce jest to niemal niemożliwe.

Hologramy, komplementarność i praktyczna niewidzialność

Leonard Susskind i inni podkreślali, że informacja nie ginie w sensie teoretycznym – unitarność zostaje zachowana – ale staje się niedostępna obliczeniowo. Rekonstrukcja z perspektywy zewnętrznej wymagałaby astronomicznie dużej liczby operacji, co w efekcie czyni informację nie do odzyskania w żadnym realistycznym eksperymencie. W ten sposób filozoficzne ostrze pierwotnego twierdzenia Hawkinga zostaje stępione: prawa pozostają nienaruszone, ale determinizm staje się kwestią praktycznej złożoności, a nie tylko samych zasad.

Czy czarna dziura mogłaby wyrzucić materię do innego wszechświata?

Pomysł, że wpadająca materia może trafić do innego wszechświata, jest starszy niż ostatnie postępy techniczne. Występuje on w kilku wariantach. Jednym z nich jest obraz czarnych dziur jako miejsc nukleacji „wszechświatów niemowlęcych”: w pewnych scenariuszach kwantowej grawitacji wnętrze może się oddzielić i stać się rozszerzającym się obszarem odciętym od naszej czasoprzestrzeni. Inna droga prowadzi przez tunele czasoprzestrzenne (wormholes) i nietrywialną topologię: efekty kwantowe mogą łączyć regiony w sposób, na który klasyczna ogólna teoria względności nie pozwala.

Sam Hawking spekulował, że część tego, co przekracza horyzont, może pojawić się gdzie indziej – być może w osobnym wszechświecie. Pozostaje to jednak w sferze spekulacji. Współczesne obliczenia, które przywracają informację na zewnątrz, nie sugerują istnienia widzialnego fizycznego tunelu, który mógłby przenieść makroskopowe obiekty w nienaruszonym stanie do innego kosmosu. Zamiast tego pokazują one, jak korelacje kwantowe i subtelności czasoprzestrzeni mogą kodować informacje o stanach wewnętrznych w promieniowaniu wychodzącym. Dla człowieka czy statku kosmicznego siły pływowe i termalizacja na horyzoncie pozostają śmiertelne; pragmatyczna odpowiedź na pytanie, czy można przeżyć podróż przez czarną dziurę, brzmi: wciąż nie.

Wnętrze to kolejna granica

Być może najbardziej uporczywą zagadką jest to, co właściwie dzieje się wewnątrz parującej czarnej dziury. Nowe obliczenia, które ratują informację, działają głównie na samym horyzoncie lub tuż poza nim, bądź też w uproszczonych modelach podatnych na dokładne odpowiedniki holograficzne. Nie dają one jeszcze szczegółowego, ogólnie przyjętego obrazu geometrii i dynamiki wnętrza. Spekulacje sięgają od gładkich wnętrz zgodnych z zasadą komplementarności, przez firewalle (ściany ognia) – gwałtowne strefy wysokoenergetycznych kwantów na horyzoncie – aż po bardziej egzotyczne równoważności, w których odrębne konfiguracje wewnętrzne są w rzeczywistości tym samym stanem widzianym z różnych sposobów cięcia czasoprzestrzeni.

Jak to się łączy z inflacją, wieloświatem i nieskończonością

Pytanie o to, co znajduje się poza czarną dziurą, w naturalny sposób łączy się z szerszymi ideami kosmologicznymi. Inflacja kosmologiczna i wieczna inflacja przewidują krajobraz przyczynowo rozłącznych domen; w niektórych interpretacjach są to dosłownie „inne wszechświaty”. Fizycy porównywali również wieloświat powstały w wyniku wiecznej inflacji – wykładniczo mnożącą się kolekcję wszechświatów pęcherzykowych – do koncepcji wielu światów wynikającej z mechaniki kwantowej. Ważna, choć techniczna uwaga: w tych obrazach pojawiają się różne rodzaje „nieskończoności”. Inflacyjny wieloświat dąży do nieskończoności typu wykładniczego; struktura rozgałęzień wielu światów jest kombinatoryczna i może stanowić jeszcze większy rodzaj nieskończoności.

Pogodzenie tych nieskończoności mówi nam, czy kwantowo-mechaniczny wieloświat wszystkich możliwości mógłby zostać fizycznie zrealizowany gdzieś w większej, podlegającej inflacji czasoprzestrzeni. Obecne poglądy sugerują, że o ile inflacja nie trwała wiecznie w przeszłości lub obszar inflacyjny nie był w momencie powstania nieskończony pod względem przestrzennym, nie znajdziemy dosłownie każdej gałęzi kwantowej możliwości zrealizowanej jako odrębna kieszeń inflacyjna. Są to głębokie, otwarte pytania z pogranicza kosmologii i podstaw mechaniki kwantowej, które pokazują, że fizyka czarnych dziur, kwantowa grawitacja i kosmologia są częściami tego samego koncepcyjnego węzła.

Co jest ważne na przyszłość

Dla badaczy dalsza droga jest techniczna i konkretna: badanie wnętrza, doprecyzowanie słownika holograficznego, testowanie uproszczonych modeli i pchanie symulacji kwantowych w rejony przybliżające dynamikę grawitacyjną. Dla ciekawej świata opinii publicznej lekcja jest bardziej subtelna. Czarne dziury nauczyły nas, że paradoks jest w fizyce siłą napędową: pozorne sprzeczności zmuszają nas do tworzenia nowych idei – holografii, złożoności, kwantowych powierzchni ekstremalnych – a idee te często znajdują zastosowanie daleko poza swoim pierwotnym kontekstem.

Gdzie obecnie jesteśmy

Źródła

• Nature (praca Stephena Hawkinga z 1974 r. na temat promieniowania czarnych dziur)
• Stanford Institute for Theoretical Physics (badania i perspektywy dotyczące informacji w czarnych dziurach)
• Institute for Advanced Study (prace nad holografią i kwantową grawitacją)
• University of California, Berkeley (wyspy splątania i ostatnie obliczenia entropii)
• Event Horizon Telescope Collaboration (obserwacyjne badania otoczenia czarnych dziur)
• University of Sussex (przeglądy i komentarze na temat kwantowej grawitacji i informacji)