Κοσμολογία

Δείξε μας τα μαθηματικά! Αυτή η φράση θα μπορούσε να συνοψίσει την αντίδραση της επιστημονικής κοινότητας των φυσικών στην αναγγελία του Stephen W. Hawking, η οποία έγινε πρώτη είδηση στα ΜΜΕ τον περασμένο Ιούλιο. Ο διάσημος βρετανός φυσικός ισχυρίστηκε ότι κατάφερε να επιλύσει το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων τρυπών ―έναν βαθύ, δυσεπίλυτο γρίφο της κβαντικής φυσικής και της βαρύτητας τον οποίο είχε αποκαλύψει ο ίδιος πριν από 30 χρόνια. Ο Hawking, παρότι σκιαγράφησε τη νέα του θεωρία στο 17ο Συνέδριο για τη Γενική Σχετικότητα που διεξήχθη στο Δουβλίνο, δεν έχει ώς τώρα δημοσιεύσει καμία ερευνητική εργασία στην οποία να αναλύει λεπτομερώς τα μαθηματικά βήματα που στηρίζουν τη γενική συλλογιστική του. «Αναμένουμε την προδημοσίευση του σχετικού κειμένου» δηλώνει ο φυσικός Joe Polchinski του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα.

Το πληροφοριακό παράδοξο προκύπτει από δύο αντιφατικές ιδιότητες των μαύρων τρυπών. Στην κλασική ανάλυση ―όπου δεν λαμβάνεται υπόψη η κβαντική μηχανική―, οτιδήποτε πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας χάνεται από το Σύμπαν διά παντός. Τίποτα, ούτε ακόμα και αυτό το φως ή η πληροφορία, δεν είναι αρκετά ταχύ για να διαφύγει από τις πανίσχυρες βαρυτικές δαγκάνες των μαύρων τρυπών. Το 1974, όμως, ο Hawking ανακάλυψε μια κβαντική ρωγμή στα αδιαπέραστα τείχη τους, συμπεραίνοντας ότι στην πραγματικότητα από τις μαύρες τρύπες διαρρέουν τυχαία σωματίδια και ακτινοβολία (η περιώνυμη ακτινοβολία Hawking).

Εν προκειμένω, το πρόβλημα (το οποίο επεσήμανε ο Hawking με μια δημοσίευσή του το 1976) έγκειται σε αυτή την τυχαιότητα, η οποία παραβιάζει μια βαθιά θεμελιώδη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής που είναι γνωστή ως μοναδιαιότητα (unitarity). Στην ουσία, η μοναδιαιότητα υπαγορεύει τη διατήρηση της πληροφορίας. Με απλά λόγια, αν μέσα στη μαύρη τρύπα πέσει μια εγκυκλοπαίδεια, και στη συνέχεια η μάζα της εκπεμφθεί ως ακτινοβολία Hawking, αυτή η ακτινοβολία θα πρέπει να μεταφέρει, κατ’ αρχήν, όλη την πληροφορία που ήταν κωδικοποιημένη στην εγκυκλοπαίδεια. (Φυσικά, η ανάκτηση της πληροφορίας θα είναι πρακτικά σε τέτοιο βαθμό εφικτή όσο κι αν η εγκυκλοπαίδεια είχε αποτεφρωθεί.) Ωστόσο, η τυχαιότητα της ακτινοβολίας Hawking εξαλείφει την πληροφορία ―αποτέλεσμα για το οποίο πολύ φυσικοί δυσπιστούσαν. «Δεν πιστεύω το αποτέλεσμα του Hawking του 1976, από την άλλη όμως δεν ξέρω και ποιο είναι το λάθος στους υπολογισμούς του» δηλώνει ο θεωρητικός των χορδών Andrew Strominger του Πανεπιστημίου Harvard.

Πριν από 10 περίπου χρόνια, οι φυσικοί ανακάλυψαν έναν τρόπο ανάλυσης των μαύρων τρυπών χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά εργαλεία της θεωρίας χορδών. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η μοναδιαιότητα, άρα και η πληροφορία, διατηρούνται κατά την εξαέρωση των μαύρων τρυπών. Δυστυχώς, οι υπολογισμοί της θεωρίας χορδών δεν αποκαλύπτουν το λάθος του 1976 στους υπολογισμούς του Hawking. Οπότε, είτε το συνολικό επιχείρημά του είναι εσφαλμένο (ωστόσο οι φυσικοί το χαρακτηρίζουν «απλό και όμορφο») είτε μία από τις παραδοχές της θεωρίας του δεν είναι σωστή (γεγονός που θα αποτελούσε εμβριθή ανακάλυψη για τη φύση του κόσμου).

Στη νέα του εργασία, ο Hawking μετέρχεται μια διαφορετική τεχνική από αυτή της ανάλυσης του 1976 και επεκτείνει τις πρόσφατες έρευνες του θεωρητικού Juan Maldacena (στο Πρίνστον). Σε αδρές γραμμές, ο Hawking ισχυρίζεται πως η μοναδιαιότητα και η πληροφορία διατηρούνται τελικά σε ικανοποιητικό βαθμό, αν περιμένουμε μέχρι την πλήρη εξαέρωση της μαύρης τρύπας. Μόνο σε ενδιάμεσα χρονικά διαστήματα, ενόσω η μαύρη τρύπα εξακολουθεί να εξαερώνεται, η πληροφορία φαίνεται να χάνεται. Αλλά η σχετική ανάλυση δεν επεξηγεί πώς αναδύεται η πληροφορία ή πώς το αποτέλεσμα θα μπορούσε να συμβιβαστεί είτε με την ανάλυση του 1976 είτε με τους πιο πρόσφατους υπολογισμούς της θεωρίας χορδών.

Οπότε, πολλοί φυσικοί ξύνουν το κεφάλι τους με απορία. « Ήμουν παρών στο Δουβλίνο, αλλά δεν κατάλαβα το καίριο σημείο· το ίδιο και οι συνάδελφοι με τους οποίους μίλησα μετά» επισημαίνει ο Jacob Bekenstein του Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ. « Ίσως περάσουν χρόνια ώσπου να επέλθει ομοφωνία μεταξύ των ειδικών» λέει ο Kip Thorne του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας. Μερικοί εξέφρασαν τη δυσαρέσκειά τους για το ύφος της ανακοίνωσης, πριν μάλιστα να δημοσιευθεί η σχετική εργασία. Αλλοι πάλι χαίρονται που επιτέλους ο Hawking συμφωνεί με όσα επί μία δεκαετία επαγγέλλονται οι θεωρητικοί των χορδών. Κάποιοι, όπως ο Bekenstein, θεωρούν ότι το πληροφοριακό παράδοξο έχει διευθετηθεί πολύ πριν την ανακοίνωση του Hawking. «Το παράδοξο απλώς μας αποπροσανατόλιζε όλα αυτά τα χρόνια» δηλώνει.

Αλλοι πάλι δεν είναι και τόσο σίγουροι ότι η υπόθεση έκλεισε, ακόμα και υπό το βάρος της εγκυρότητας που προσφέρει ο συνδυασμός της θεωρίας χορδών με το επιστημονικό ανάστημα του Hawking. «Υπάρχουν τόσες πολλές πτυχές στο θέμα της μοναδιαιότητας των μαύρων τρυπών ώστε είναι δύσκολο να αποδεχθούμε πως θα μπορούσε να διευθετηθεί με μία και μόνη εργασία, ασχέτως του ποιος την έγραψε! Η ετυμηγορία δεν έχει βγει ακόμα» δηλώνει ο Cumrun Vafa, φυσικός του Harvard.

Επιστημονικά Νέα - Οκτώβριος, 2004