Afbeelding tegoed: NASA
Stephen Hawking en Kip Thorne zijn John Preskill mogelijk een reeks encyclopedieën verschuldigd.
In 1997 maakten de drie kosmologen een beroemde weddenschap over de vraag of informatie die een zwart gat binnengaat ophoudt te bestaan - dat wil zeggen of het interieur van een zwart gat überhaupt wordt veranderd door de kenmerken van de deeltjes die erin binnendringen.
Hawking's onderzoek suggereerde dat de deeltjes helemaal geen effect hebben. Maar zijn theorie schond de wetten van de kwantummechanica en creëerde een tegenstrijdigheid die bekend staat als de 'informatieparadox'.
Nu hebben natuurkundigen van de Ohio State University een oplossing voorgesteld met behulp van snaartheorie, een theorie die stelt dat alle deeltjes in het universum zijn gemaakt van kleine vibrerende snaren.
Samir Mathur en zijn collega's hebben een uitgebreide reeks vergelijkingen afgeleid die sterk suggereren dat de informatie blijft bestaan - vastgebonden in een gigantische kluwen van strings die een zwart gat van de kern naar het oppervlak vult.
De bevinding suggereert dat zwarte gaten geen gladde, karakterloze entiteiten zijn, zoals wetenschappers al lang dachten.
In plaats daarvan zijn het vezelige fuzzballs.
Mathur, hoogleraar natuurkunde aan de staat Ohio, vermoedt dat Hawking en Thorne niet bijzonder verrast zullen zijn door de uitkomst van het onderzoek, dat verschijnt in het nummer van 1 maart van het tijdschrift Nuclear Physics B.
In hun weddenschap wedden Hawking, hoogleraar wiskunde aan de Universiteit van Cambridge, en Thorne, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Caltech, dat informatie die een zwart gat binnengaat vernietigd wordt, terwijl Preskill - ook een professor in theoretische natuurkunde aan Caltech - de tegenovergestelde mening. De inzet was een verzameling encyclopedieën.
? Ik denk dat de meeste mensen het idee hebben opgegeven dat informatie werd vernietigd toen het idee van de snaartheorie in 1995 op de voorgrond trad ,? Zei Mathur. 'Het is gewoon dat niemand heeft kunnen bewijzen dat de informatie tot nu toe is overgebleven.'
In het klassieke model van hoe zwarte gaten zich vormen, stort een superzwaar object, zoals een gigantische ster, in elkaar om een heel klein punt van oneindige zwaartekracht te vormen, een singulariteit genaamd. Een speciaal gebied in de ruimte omringt de singulariteit en elk object dat de grens van het gebied overschrijdt, bekend als de gebeurtenishorizon, wordt in het zwarte gat getrokken om nooit meer terug te keren.
In theorie kan zelfs geen licht ontsnappen uit een zwart gat.
De diameter van de gebeurtenishorizon hangt af van de massa van het object dat het heeft gevormd. Als de zon bijvoorbeeld ineenstortte tot een bijzonderheid, zou de horizon van de gebeurtenis ongeveer 3 kilometer (1,9 mijl) breed zijn. Als de aarde dit voorbeeld zou volgen, zou de horizon van de gebeurtenis slechts 1 centimeter (0,4 inch) bedragen.
Wat betreft wat er in het gebied ligt tussen een bijzonderheid en de horizon van gebeurtenissen, hebben natuurkundigen altijd letterlijk een blanco getrokken. Ongeacht het soort materiaal dat de singulariteit vormde, het gebied binnen de horizon van de gebeurtenis zou verstoken zijn van enige structuur of meetbare kenmerken.
En daarin schuilt het probleem.
Het probleem met de klassieke theorie is dat je elke combinatie van deeltjes zou kunnen gebruiken om het zwarte gat te maken - protonen, elektronen, sterren, planeten, wat dan ook - en het zou geen verschil maken. Er moeten miljarden manieren zijn om een zwart gat te maken, maar met het klassieke model is de uiteindelijke toestand van het systeem altijd hetzelfde ,? Zei Mathur.
Dat soort uniformiteit is in strijd met de kwantummechanische wet van omkeerbaarheid, legde hij uit. Natuurkundigen moeten het eindproduct van elk proces, inclusief het proces dat een zwart gat maakt, kunnen traceren naar de omstandigheden die het hebben veroorzaakt.
Als alle zwarte gaten hetzelfde zijn, dan kan geen enkel zwart gat worden herleid tot zijn unieke begin, en alle informatie over de deeltjes die het hebben gecreëerd, gaat voor altijd verloren op het moment dat het gat zich vormt.
? Niemand gelooft dat nu echt, maar niemand zou ooit iets verkeerds kunnen vinden aan het klassieke argument ,? Zei Mathur. 'We kunnen nu voorstellen wat er mis is gegaan.'
In 2000 noemden snaartheoretici de informatieparadox nummer acht op hun top tien van fysische problemen die het volgende millennium moeten worden opgelost. Die lijst bevatte vragen zoals? Wat is de levensduur van een proton? en? hoe kan kwantumzwaartekracht de oorsprong van het universum helpen verklaren?
Mathur begon aan de informatieparadox te werken toen hij assistent-professor was aan het Massachusetts Institute of Technology, en hij viel het probleem fulltime aan nadat hij in 2000 bij de faculteit van de staat Ohio was toegetreden.
Met postdoctoraal onderzoeker Oleg Lunin berekende Mathur de structuur van objecten die tussen eenvoudige snaarstatussen en grote klassieke zwarte gaten in liggen. In plaats van kleine voorwerpen te zijn, bleken ze groot. Onlangs ontdekten hij en twee doctoraatsstudenten - Ashish Saxena en Yogesh Srivastava - hetzelfde beeld van een? Fuzzball? bleef gelden voor objecten die meer op een klassiek zwart gat lijken. Die nieuwe resultaten verschijnen in Kernfysica B.
Volgens de snaartheorie zijn alle fundamentele deeltjes van het universum - protonen, neutronen en elektronen - gemaakt van verschillende combinaties van snaren. Maar hoe klein snaren ook zijn, Mathur gelooft dat ze grote zwarte gaten kunnen vormen door een fenomeen dat fractionele spanning wordt genoemd.
Snaren zijn rekbaar, zei hij, maar elk heeft een bepaalde spanning, net als een gitaarsnaar. Bij fractionele spanning neemt de spanning af naarmate de snaar langer wordt.
Net zoals een lange gitaarsnaar gemakkelijker te plukken is dan een korte gitaarsnaar, is een lange streng van kwantummechanische snaren samengevoegd gemakkelijker uit te rekken dan een enkele snaar, zei Mathur.
Dus wanneer een groot aantal snaren samenkomen, zoals ze zouden doen om de vele deeltjes te vormen die nodig zijn voor een zeer massief object zoals een zwart gat, is de gecombineerde snaarbal erg rekbaar en breidt uit tot een brede diameter.
Toen de natuurkundigen van de staat Ohio hun formule voor de diameter van een vaag zwart gat van snaren afgeleiden, ontdekten ze dat deze overeenkwam met de diameter van de horizon van het zwarte gat, zoals voorgesteld door het klassieke model.
Aangezien het vermoeden van Mathur suggereert dat snaren in het zwarte gat blijven bestaan, en de aard van de snaren afhankelijk is van de deeltjes waaruit het oorspronkelijke bronmateriaal bestaat, is elk zwart gat net zo uniek als de sterren, planeten of het sterrenstelsel dat vormde het. De snaren van elk volgend materiaal dat het zwarte gat binnenkomt, zouden ook traceerbaar blijven.
Dat betekent dat een zwart gat terug te voeren is naar de oorspronkelijke staat en dat informatie blijft bestaan.
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van energie.
Oorspronkelijke bron: Ohio State University News Release
