Czarne dziury są najpotężniejszymi obiektami w przestrzeni kosmicznej. Ich siła potrafi rozrywać gwiazdy na atomy. Jakby tego było mało, mają jeszcze jedną mroczną właściwość: mogą "wykasować" cały wszechświat.
CZARNE DZIURY W SKRÓCIE
Czarna dziura powstaje, gdy olbrzymia ilość materii zostaje skupiona w bardzo małej objętości. W samym środku czarnej dziury siła grawitacji jest prawie nieskończona i każdy obiekt, który znajdzie się zbyt blisko, zostanie rozerwany na cząstki elementarne. Nawet światło nie potrafi oprzeć się ich grawitacji, dlatego też czarne dziury są czarne.
Obserwator, który wpadłby do czarnej dziury, zauważyłby to dopiero po pewnym czasie od przekroczenia jej zewnętrznej granicy: horyzontu zdarzeń. Można porównać to do płynięcia w rzece kończącej się olbrzymim wodospadem. W pewnym momencie strumień zaczyna płynąć coraz szybciej, mimo iż nie widać jeszcze wodospadu. Po przekroczeniu pewnego punktu znajdziemy się w sytuacji bez wyjścia. Niezależnie od tego, jak szybko będziemy płynąć w przeciwną stronę, strumień będzie nas nieuchronnie ściągać nad wodospad. Horyzont zdarzeń oddziela czarne dziury od reszty wszechświata - wycieczka do czarnej dziury to podróż w jedną stronę. I choć nie mamy możliwości stwierdzić, co dzieje się we wnętrzu czarnej dziury, istnieje kilka teorii próbujących to wyjaśnić.
Czarne dziury wypromieniowują swoją masę, podobnie jak garnek z gotującą się wodą stopniowo traci wodę w postaci pary. Zjawisko to jest nazywane promieniowaniem Hawkinga. Czarne dziury nieustannie tracą masę w niewiarygodnie powolnym procesie. Szacuje się, że czarna dziura o masie słońca straciłaby 0,0000001% swojej masy w ciągu 10000 miliardów miliardów miliardów miliardów miliardów miliardów lat. Proces ten jest stały i przyspiesza w miarę utraty masy przez czarną dziurę. W odległej przyszłości, kiedy ostatnie gwiazdy we wszechświecie będą martwe od bilionów lat, czarne dziury będą się kurczyć, aż w końcu i one wyparują, pozostawiając po sobie nikłe promieniowanie. Uczeni mają z tym niemały problem, ponieważ w procesie zanikania, wraz z czarnymi dziurami może zniknąć coś jeszcze: informacja.
CZYM JEST INFORMACJA?
Informacja jest niematerialna. Zazwyczaj rozumie się ją jako własność układu cząstek. Co to oznacza? Wyobraźmy sobie grupę atomów węgla. Po ułożeniu ich w określony sposób otrzymamy grafit. Inne ich ułożenie da nam diament. Atomy pozostają takie same, zmienia się natomiast informacja. Jeśli skomplikujemy układ i dodamy więcej innych atomów, powstanie np. banan. Zmieńmy układ atomów ponownie, a otrzymamy wiewiórkę. Podstawowe elementy budujące cały wszechświat są takie same, niezależnie od tego, czy tworzą ptaka, kamień, czy kubek kawy. Bez informacji wszystko we wszechświecie byłoby identyczne.
Według mechaniki kwantowej informacji nie można zniszczyć. Można zmienić jej kształt, ale nie można utracić jej bezpowrotnie. Przykładowo, po spaleniu kartki papieru otrzymamy popiół. Popiół ten nigdy nie stanie się na powrót kartką papieru. Jednak gdybyśmy byli w stanie zebrać każdy atom węgla w popiele i zmierzyli dokładnie właściwości wydzielonego z ognia dymu i ciepła, teoretycznie moglibyśmy odtworzyć kartkę. Informacja o kartce papieru nadal znajduje się we wszechświecie. Nie została utracona, po prostu trudniej ją odczytać. Gdybyśmy w jakiś sposób zmierzyli każdy atom, cząsteczkę i falę promieniowania we wszechświecie, bylibyśmy w stanie ujrzeć i prześledzić każdy istniejący strzępek informacji. Hipotetycznie moglibyśmy odtworzyć całą historię wszechświata aż do Wielkiego Wybuchu. I tutaj właśnie "brużdżą" nam czarne dziury.
Informacja mówi nam, co jest czym i czym obiekty różnią się od siebie. Czarne dziury robią coś przeciwnego: pochłaniają materię i zmieniają je w identyczną "papkę", niszcząc tym samym informację. W ten sposób powstaje "paradoks informacji", który przyprawia naukowców o ból głowy.
PARADOKS INFORMACJI
Fizyka mówi nam, że informacja nigdy nie może zostać utracona. Bez informacji wszystko staje się względne. Do naszego zrozumienia rzeczywistości niezbędne są pojęcia bezwzględne. Jak więc rozwiązać ten paradoks? Istnieje kilka możliwości:
1) Informacja może zostać utracona. Nieodwracalnie i na zawsze. Oznacza to, że musimy napisać fizykę na nowo, wyrzucając z niej również te rzeczy, które do tej pory działały bardzo sprawnie. Jak miałyby wyglądać te nowe prawa fizyki i jakie miałoby to dla nas znaczenie - tego nie wie nikt. Jest to równie przerażające, co ekscytujące.
2) Informacja jest ukryta. Być może czarna dziura "pączkuje" i tworzy nowy wszechświat. Wówczas informacja zostałaby przeniesiona do tego nowego miejsca, którego co prawda nigdy nie moglibyśmy zaobserwować, ale informacja zasadniczo nie zostałaby utracona. Przypomina to sytuację, w której posiadamy zepsuty dysk twardy ze zdjęciami rodzinnymi, do których już nigdy nie uzyskamy dostępu. Co prawda zdjęcia dalej tam są, ale nie możemy ich odzyskać. A może czarne dziury nie znikają całkowicie po zakończeniu życia, pozostawiając po sobie maleńką "informacyjną cząstkę" wypełnioną ogromną ilością informacji? Ale istnieje również trzecia możliwość:
3) Informacja pozostaje, nie zostaje utracona ani ukryta. Być może po prostu patrzymy na wszystko ze złej perspektywy. Wiemy, że czarne dziury "zatrzymują" informację i mogą ją później usunąć, ale nie zastanawiamy się, co mogą z nią zrobić w międzyczasie. Gdzie więc czarne dziury przechowują informację?
KOSMICZNE PORZĄDKI
Stwórzmy czarną dziurę wypełnioną koszami brudnej bielizny. Najpierw zapełniamy pokój koszami: im więcej bielizny chcemy przechować, tym więcej koszy musimy umieścić w pokoju. Jednak w pewnym momencie każdy kosz jest pełny, a pokój wypełniony koszami po brzegi tak, że nie możemy tam wcisnąć nawet skarpetki. Jeśli jednak spróbujemy wcisnąć tam jeszcze jedną skarpetkę przy użyciu olbrzymiej siły, pokój zapadnie się tworząc czarną dziurę. Ale przecież pojemność pokoju się nie zmieniła, więc wciśnięcie do niego kolejnych rzeczy i informacji jest nadal niemożliwe. Co więc się stanie, jeśli będziemy wrzucać do środka więcej brudnej bielizny? Pokój zacznie się powiększać, tworząc miejsce dla nowej informacji. Okazuje się, że powierzchnia czarnej dziury powiększa się wraz z każdą wrzuconą do niej cząstką informacji. W skrócie: im więcej informacji, tym większa powierzchnia. Informacja zostaje zapisana na powierzchni, podobnie jak dzieje się to po wrzuceniu kamienia do stawu. Kamień zatonie i zniknie nam z oczu, ale wiemy, że coś wpadło do wody, obserwując okręgi na jej powierzchni. Nawet najmniejsza czarna dziura może przechować na powierzchni więcej informacji, niż ludzkość wyprodukowała przez całe swoje istnienie. Informacja jest przechowywana w formie niewiarygodnie małego "piksela". W ten sposób czarne dziury są doskonałymi dyskami twardymi. Przypomina to konwersję papierowej książki do formatu e-booka. Wyglądają całkiem inaczej, ale ich zawartość jest identyczna, choć zakodowana w inny sposób.
Proces pochłaniania gwiazd i planet przez czarne dziury przypomina więc nieco przenoszenie całej biblioteki na czytnik e-booków. W fizyce nazywa się to "zasadą holograficzną". Jeśli zasada ta okaże się prawdziwa, wówczas będziemy zmuszeni zrewidować całą naszą wiedzę o wszechświecie.
WSZECHŚWIAT JEST HOLOGRAMEM
Jeżeli informacja jest faktycznie przechowywana na horyzoncie czarnej dziury, wówczas promieniowanie Hawkinga ma szansę odzyskać tę informację i wynieść ją poza czarną dziurę. W ten sposób informacja nie jest tracona po wejściu w czarną dziurę i nie musimy odkrywać fizyki na nowo: paradoks informacji został rozwiązany. Oznacza to też jednak, że musimy całkowicie zmienić nasze spojrzenie na rzeczywistość. Skoro wszystko co spada na czarną dziurę jest gromadzone na horyzoncie zdarzeń, wówczas również trójwymiarowe obiekty zostają zakodowane na dwuwymiarowej powierzchni. Ma to swoją nazwę: hologram.
Hologram to rodzaj trójwymiarowego zdjęcia, płaski kawałek plastiku, na którym zakodowano trójwymiarowy obraz. Czarna dziura zachowuje się jak hologram, gdyż wszystko w jej wnętrzu jest zakodowane na horyzoncie zdarzeń. Osoba wewnątrz czanej dziury będzie doświadczać zwykłej trójwymiarowej rzeczywistości, jednak dla obserwatora z zewnątrz stanie się obrazem rozpłaszczonym na powierzchni czarnej dziury.
Mimo iż czarne dziury są obiektami ekstremalnymi, nadal podlegają tym samym prawom, co cała reszta. Tak więc jeśli ten zwariowany dualizm 2D/3D ma zastosowanie do czarnych dziur, równie dobrze może mieć zastosowanie do całego wszechświata, w tym człowieka. Ponieważ osoba wewnątrz czarnej dziury nie zdaje sobie sprawy, że jest zakodowana na płaskiej powierzchni, być może z nami jest tak samo: może jesteśmy dwuwymiarowymi istotami rozciągniętymi na płaskim ekranie gdzieś na końcu wszechświata?
P.S. Tekst jest moim własnym tłumaczeniem filmu na YouTube: "Why Black Holes Could Delete The Universe – The Information Paradox" dodanym przez użytkownika "Kurzgesagt – In a Nutshell". Z góry przepraszam za ewentualne terminologiczne nieścisłości, nie jestem naukowcem, a jedynie miłośnikiem kosmologii popularnej.
Komentarze