Mogą być użyteczne do pozbywania się śmieci lub niektórych znajomych – mawiał o czarnych dziurach jeden z ich głównych badaczy. Tu dzieli się refleksjami na temat swoich odkryć.
Nie można z zewnątrz stwierdzić, co się znajduje wewnątrz czarnej dziury, można jedynie poznać jej masę, moment pędu i ładunek elektryczny. Oznacza to, że czarna dziura zawiera mnóstwo informacji, które są ukryte, niewidoczne dla zewnętrznego świata. Jeżeli ilość informacji ukrytej wewnątrz czarnej dziury zależy od jej rozmiarów, to z ogólnych zasad można wnioskować, że powinna mieć temperaturę i świecić jak rozgrzana metalowa kula. Jednak jest to niemożliwe, ponieważ, jak wszystkim wiadomo, nic nie może się wydostać z czarnej dziury. W każdym razie tak się wszystkim wydawało. Ten paradoks utrzymywał się do początków 1974 roku, gdy zacząłem badać zachowanie materii w sąsiedztwie czarnej dziury z perspektywy mechaniki kwantowej.
Ku mojemu wielkiemu zaskoczeniu przekonałem się, że czarna dziura emituje cząstki w równomiernym tempie. Podobnie jak wszyscy w owym czasie akceptowałem zasadę, że czarna dziura nie może niczego emitować, więc bardzo się starałem, aby usunąć ten kłopotliwy efekt. Im więcej jednak o tym rozmyślałem, tym bardziej nie mogłem się go pozbyć, aż w końcu musiałem zaakceptować fakt, że jest to realny fizyczny proces. Ostatecznie przekonało mnie odkrycie, że długości fal emitowanych cząstek są ściśle termiczne. Moje obliczenia wskazywały, że czarna dziura kreuje i emituje cząstki oraz promieniowanie dokładnie w taki sposób, jakby była zwykłym gorącym ciałem, którego temperatura jest proporcjonalna do powierzchniowej grawitacji i odwrotnie proporcjonalna do jej masy.
Co mówią cząstki
Matematyczne dowody, że czarne dziury emitują promieniowanie termiczne, zostały później potwierdzone przez kilka innych osób stosujących różne podejścia. Jedno z możliwych wyjaśnień natury tego promieniowania brzmi następująco: mechanika kwantowa dowodzi, że pusta przestrzeń jest w istocie wypełniona przez pary wirtualnych cząstek i antycząstek, które nieustannie parami materializują się, rozdzielają, a następnie ponownie spotykają i wzajemnie anihilują.
I teraz, w obecności czarnej dziury jedna cząstka z wirtualnej pary może wpaść do czarnej dziury, pozostawiając drugą cząstkę bez partnera potrzebnego do wzajemnej anihilacji. Pozostawiona cząstka lub antycząstka może podążyć śladem partnera do czarnej dziury, lecz może także uciec do nieskończoności. W tym drugim przypadku cząstka będzie reprezentować promieniowanie, które rozchodzi się w przestrzeni tak, jakby było emitowane przez czarną dziurę.
Z czarnej dziury o masie Słońca cząstki wyciekają w tak niewielkich ilościach, że ich wykrycie wydaje się niemożliwe. Mogą jednak istnieć znacznie mniejsze czarne dziury mini, na przykład o masie pojedynczej góry. Czarna dziura o masie góry emitowałaby promienie X oraz gamma o mocy około dziesięciu milionów megawatów, co pokryłoby zapotrzebowanie naszego globu na energię elektryczną. Ujarzmienie czarnej dziury mini nie byłoby jednak takie łatwe. Nie można jej umieścić w elektrowni, ponieważ przebiłaby podłogę i wylądowałaby w środku Ziemi. Gdybyśmy mieli taką czarną dziurę, prawdopodobnie jedynym sposobem, aby ją utrzymać, byłoby umieszczenie jej na orbicie wokółziemskiej.
Poszukiwania czarnych dziur mini o takiej masie trwają od jakiegoś czasu, lecz jak dotąd nie znaleźliśmy ani jednej. Wielka szkoda, gdyż takie odkrycie zapewniłoby mi Nagrodę Nobla! Istnieje jednak inna możliwość – stworzenie czarnych dziur mikro w dodatkowych wymiarach czasoprzestrzeni.
W ramach niektórych teorii wszechświat, w którym żyjemy, jest tylko czterowymiarową płaszczyzną w dziesięcio- lub jedenastowymiarowej przestrzeni. Pewną próbę ukazania, jak mogłoby to wyglądać, daje film Interstellar. Nie widzielibyśmy tych dodatkowych wymiarów, ponieważ światło rozchodzi się tylko w czterech wymiarach naszego wszechświata, lecz grawitacja działa we wszystkich wymiarach. Co więcej, w tych dodatkowych wymiarach jest silniejsza niż w naszym wszechświecie, dzięki czemu małe czarne dziury mogłyby łatwiej powstawać w dodatkowych wymiarach. Możemy je zaobserwować w LHC (Large Hadron Collider – Wielki Zderzacz Hadronów) w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (European Organization for Nuclear Research) w Szwajcarii. Głównym elementem akceleratora w CERN-ie jest tunel w kształcie torusa o długości około 27 kilometrów. Dwie wiązki cząstek okrążają ten tunel w przeciwnych kierunkach i w pewnym momencie się zderzają. W trakcie tych zderzeń mogą powstać czarne dziury mikro. Łatwo będzie je zaobserwować, ponieważ czarne dziury emitują cząstki w dość charakterystyczny sposób. Dzięki temu mógłbym jednak dostać Nagrodę Nobla!
Zasada wszechświata
Gdy czarna dziura emituje cząstki, jej masa się zmniejsza, czarna dziura się kurczy i wzrasta tempo emisji cząstek. W końcu czarna dziura straci całą masę i zniknie. Co stanie się z tymi cząstkami i pechowymi astronautami, którzy wpadli do czarnej dziury? Nie mogą się powtórnie pojawić po zniknięciu czarnej dziury. Wydaje się, że informacja o wszystkim, co wpadło do środka, jest bezpowrotnie tracona, z wyjątkiem masy, momentu pędu i ładunku elektrycznego. Jeżeli informacja rzeczywiście jest stracona, to pojawia się poważny problem u samych podstaw naszego rozumienia nauki.
Przez ponad dwieście lat wierzyliśmy w naukowy determinizm, czyli zasadę, zgodnie z którą ewolucją wszechświata rządzą prawa przyrody. Tę zasadę po raz pierwszy sformułował Pierre Simon de Laplace, który stwierdził, że gdybyśmy poznali stan wszechświata w jednej określonej chwili, to moglibyśmy go obliczyć zarówno w przyszłości, jak i w przeszłości, ponieważ prawa przyrody determinują ten stan we wszystkich późniejszych i wcześniejszych chwilach. Mówi się, że Napoleon zapytał Laplace’a, jaką rolę w tym scenariuszu odgrywa Bóg, na co Laplace odpowiedział: „Sire, ta hipoteza nie jest mi potrzebna”. Nie sądzę, aby Laplace twierdził, że Bóg nie istnieje, lecz jedynie, że Bóg nie interweniuje w funkcjonowanie wszechświata i nie łamie praw przyrody. Takie stanowisko musi przyjąć każdy naukowiec. Prawo przyrody nie byłoby prawem przyrody, gdyby miało obowiązywać tylko wtedy, gdy jakaś nadprzyrodzona istota pozwala mu działać i nie interweniuje.
Przewidywanie przyszłości w determinizmie Laplace’a wymagało znajomości położeń i prędkości wszystkich cząstek w danej chwili. Musimy jednak wziąć również pod uwagę jedną z głównych reguł mechaniki kwantowej, zasadę nieoznaczoności, sformułowaną w 1923 roku przez Heisenberga.
Zasada nieoznaczoności mówi, że im lepiej znasz położenia cząstek, tym mniej dokładnie znasz ich prędkości, i vice versa. Innymi słowy, nie możesz dokładnie znać zarówno położeń, jak i prędkości. Jak zatem możesz przewidzieć przyszłość? Na gruncie mechaniki kwantowej nie można oddzielnie przewidzieć prędkości i położeń, lecz można przewidzieć tak zwany stan kwantowy. Znajomość stanu kwantowego pozwala z pewną dokładnością obliczyć zarówno prędkości, jak i położenia. Zatem nadal oczekujemy, że wszechświat jest deterministyczny w takim sensie, że jeżeli znamy stan wszechświata w jednej chwili, to prawa przyrody powinny umożliwić przewidywanie tego stanu w dowolnej chwili w przyszłości lub w przeszłości.
Gdyby informacja ginęła w czarnych dziurach, nie moglibyśmy przewidywać przyszłości, ponieważ czarna dziura mogłaby wypromieniować dowolny zbiór cząstek. Mogłaby wyemitować działający telewizor albo oprawiony w skórę komplet dzieł Szekspira, aczkolwiek prawdopodobieństwo emisji tak egzotycznych struktur jest bardzo małe. Może się wydawać, że nie ma wielkiego znaczenia, co emitują czarne dziury. Przecież nie ma ich nigdzie w pobliżu. Chodzi jednak o zasadę. Jeżeli determinizm, czyli przewidywalność wszechświata może się załamać w czarnych dziurach, to może także załamać się w innych sytuacjach. Co gorsza, jeżeli determinizm nie obowiązuje, to nie możemy również być pewni swojej przeszłości. Książki historyczne i nasza własna pamięć mogą być zaledwie iluzjami. To nasza przeszłość mówi nam, kim jesteśmy, bez niej tracimy swoją tożsamość.
Wyjście z sytuacji
Dlatego bardzo ważne jest zbadanie, czy informacja rzeczywiście ginie w czarnych dziurach, czy jednak – przynajmniej w zasadzie – da się ją odzyskać. Wielu naukowców czuło, że informacja nie powinna ginąć, lecz nikt nie umiał wskazać mechanizmu, który pozwalałby ją zachować. Dyskusje trwały wiele lat. W końcu udało mi się odkryć coś, co wydaje się odpowiedzią. Opiera się ona na idei Richarda Feynmana, zgodnie z którą zamiast jednej historii istnieje dużo różnych możliwych historii, z różnymi prawdopodobieństwami. W naszym przypadku są dwie wersje historii. W jednej jest czarna dziura, do której cząstki mogą wpadać, w drugiej wersji nie ma czarnej dziury.
Rzecz polega na tym, że z zewnątrz nie można być pewnym, czy czarna dziura jest, czy jej nie ma. Zawsze istnieje szansa, że jej nie ma. Ta ewentualność wystarcza, aby zachować informację, lecz informacja nie jest zwracana w użytecznej formie. Gdy spalisz encyklopedię, lecz zachowasz w całości popiół i dym, informacja nie będzie stracona, aczkolwiek będzie trudno ją odczytać. Kip Thorne i ja założyliśmy się z innym fizykiem, Johnem Preskillem, że informacja jednak jest w czarnych dziurach tracona. Gdy odkryłem, w jaki sposób informacja może być zachowana, poddałem się i wręczyłem Preskillowi encyklopedię. Może powinienem był ją spalić i dać mu popiół.
Czy to pozwala nam przypuszczać, że można wpaść do czarnej dziury i wyłonić się w innym wszechświecie? Taką możliwość sugeruje istnienie alternatywnych historii z czarnymi dziurami i bez nich. Gdyby czarna dziura była dostatecznie duża i gdyby wirowała, mogłaby stanowić przejście do innego wszechświata. Powrót do naszego wszechświata nie byłby jednak możliwy, więc nie zamierzam próbować, chociaż jestem miłośnikiem podróży kosmicznych. Stąd nasuwa się wniosek, że czarne dziury nie są aż tak czarne, jak nam się wydaje. Nie są wiecznymi więzieniami. Można się z nich wydostać zarówno w tym wszechświecie, jak i – być może – w innym. Jeżeli zatem czujesz, że jesteś w czarnej dziurze, nie poddawaj się: zawsze jest jakieś wyjście!
Fragmenty książki Stephena Hawkinga Czarne dziury, wyd. Zysk i S-ka, Poznań 2016. Tytuł, lead i śródtytuły pochodzą od redakcji „Przekroju”.
„Do Black Holes Have No Hair?” first broadcast by BBC Radio 4 on 26 January 2016. „Black Holes Ain’t As Black As They Are Painted” first broadcast by BBC Radio 4 on 2 February 2016. First published by arrangement with the BBC in Great Britain in 2016 by Bantam Books an imprint of Transworld Publishers Copyright © Stephen Hawking 2016 All rights reserved Stephen Hawking has asserted his right under the Copyright, Designs and Patents Act 1988 to be identified as the author of this work. The animations and illustrations were produced by Cognitive (wearecognitive.com) for BBC Radio 4. The BBC logo is a trade mark of the British Broadcasting Corporation and is used under licence. BBC logo © BBC 2005
Czytaj również:
