Stephen Hawking zmarł dzisiaj (14 marca), pozostawiając po sobie ogromną spuściznę po pracy jako astrofizyk, komunikator naukowy, aktywista i postać popkultury. A w dniu śmierci pytanie, na które zadał pytanie i nad którym pracował do ostatnich lat życia, pozostaje bez odpowiedzi: czy naprawdę można utracić informacje dla wszechświata?
Najsłynniejszy artykuł Hawkinga, „Black Hole Explosions?”, Opublikowany 44 lata temu w 1974 r., Zajął siekierką całego pojęcia czarnych dziur, tak jak wcześniej fizycy je rozumieli. I to było pierwsze uderzenie Hawkinga w to podstawowe pytanie.
„Klasycznie czarna dziura powinna być„ całkowicie zimna ”w tym sensie, że pochłania wszystko, ale niczego nie emituje. Tak rozumiano je na początku lat siedemdziesiątych” - napisał Robert McNees, fizyk z Loyola University w Chicago .
Taka czarna dziura nie promieniowałaby żadną energią i nie mogła z niej uciec. Po prostu… istniałby, zimny, cichy i wieczny. Papier Hawkinga ożył czarne dziury - i prawdopodobnie śmiertelne.
„Kiedy Stephen zastanawiał się nad efektami mechaniki kwantowej w połowie lat 70., odkrył, że czarne dziury powinny zasadniczo promieniować tak, jakby były obiektami termicznymi o temperaturze” - powiedział McNees dla Live Science. „Jeśli promieniują energią, wówczas ich masa będzie się zmniejszać. I odkrył, że gdy tak się dzieje, gdy kurczą się, ich temperatura rośnie i promieniują jeszcze szybciej”.
Być może w końcu czarna dziura zniknie całkowicie lub skurczy się do małej bryły. Bez pełnego pogodzenia teorii względności i mechaniki kwantowej w solidnej teorii „grawitacji kwantowej” (którą fizycy nazywają „teorią wszystkiego”), ostatni etap parowania czarnej dziury pozostaje tajemnicą.
„Problem polega na tym, że według jego obliczeń promieniowanie jest doskonale termiczne. Nie zachowuje żadnej informacji o stanie materiału, który utworzył czarną dziurę, a to naruszałoby podstawową zasadę w mechanice kwantowej”, napisał McNees .
Fizyka kwantowa wymaga, aby cała przyszłość i przeszłość każdej cząstki była w zasadzie możliwa do zrozumienia i powiązania poprzez szereg powiązanych łańcuchowo, przyczynowych, probabilistycznych zdarzeń. Ale jeśli czarna dziura uwolni niezróżnicowaną zupę cząstek z ich informacjami - ich historiami - nieodwracalnie wymazanymi, wówczas wymóg ten zostanie zasadniczo spełniony.
„„ paradoks informacji o czarnej dziurze ”i próby jego rozwiązania spowodowały znaczną część pracy w grawitacji kwantowej od momentu jego pierwszego artykułowania” - napisał McNees.
Hawking był już znakomitym fizykiem do 1974 roku. Wiele krótkich biografii sugeruje, że po publikacji jego popularnej książki naukowej z 1988 roku „Krótka historia czasu” jego najważniejsza praca naukowa była już za nim. Ale Hawking nadal wydawał znaczące i kontrowersyjne prace naukowe aż do tej dekady, walcząc z paradoksem, który wprowadził kilkadziesiąt lat wcześniej.
Najbardziej dramatyczny artykuł z późnej kariery, napisany przez Hawkinga, sugeruje, że czarne dziury, ponieważ są one klasycznie rozumiane, wcale nie istnieją.
W opublikowanym w 2014 roku „Zachowaniu informacji i prognozowaniu pogody dla czarnych dziur” zasugerował, że „horyzont zdarzeń” wokół czarnych dziur, punkt, za którym nawet światło nie mogłoby uciec, tak naprawdę nie istnieje. Zamiast tego, jak napisał, istnieje po prostu „pozorny” horyzont uwięzionego światła, które może zanikać i pozwolić mu uciec.
„Brak horyzontów zdarzeń oznacza, że nie ma czarnych dziur - w sensie reżimów, z których światło nie może uciec do nieskończoności” - napisał Hawking.
Zasugerował także pewne podstawowe problemy koncepcyjne z szeregiem cech przypisywanych fizykom przez czarne dziury, takich jak „ściany ogniowe” wokół ich granic, które niszczą obserwatorów, którzy próbują wejść.
To nie było ostatnie słowo Hawkinga na temat nauki. Jeszcze w 2016 roku Hawking opublikował artykuł z fizykiem z Uniwersytetu Cambridge, Malcolmem Perry'm i fizykiem z Uniwersytetu Harvarda, Andrew Stromingerem, zatytułowany „Miękkie włosy na czarnych dziurach”.
Zespół badawczy argumentował, że czarne dziury są otoczone przez „miękkie” lub cząstki o zerowej energii, które nazywają włosami. Napisali, że włosy te przechowują utracone informacje o cząsteczkach emitowanych przez czarne dziury na „płytkach holograficznych” poza obszarami granicznymi czarnych dziur. Tak więc informacje, mimo że zostały przemieszczone, nigdy tak naprawdę nie są tracone.
„Pełny opis holograficznej płytki i rozdzielczość paradoksu informacyjnego pozostaje otwartym wyzwaniem, któremu przedstawiliśmy nowe i konkretne narzędzia do rozwiązania” - napisali.
Nawet pod koniec życia Hawking pozostawał bardzo pracowitym naukowcem, prezentując idee, które posunęły się naprzód w jego dziedzinie, a także pomysły odrzucone przez jego kolegów.
„Mam wrażenie, że artykuł z 2014 roku nie jest powszechnie akceptowany. Z drugiej strony artykuł z 2016 roku, który współpracuje z Perry i Strominger, jest kierunkiem, nad którym ludzie nadal aktywnie pracują” - napisał McNees.
„Paradoks informacji o czarnych dziurach był jednym z kluczowych pytań dla ludzi pracujących nad grawitacją kwantową. A ponieważ pozostaje bez odpowiedzi, myślę, że pozostaje najbardziej interesującym pytaniem, jakie się pojawiło”.
