Stephen Hawking stierf vandaag (14 maart) en liet een enorme erfenis achter van werk als astrofysicus, wetenschapscommunicator, activist en figuur van bewondering van de popcultuur. En op de dag van zijn dood bleef een vraag die hij opriep en waar hij tot de laatste jaren van zijn leven aan werkte, onbeantwoord: kan informatie echt verloren gaan voor het universum?
Hawking's beroemdste paper, "Black Hole Explosions?", Dat 44 jaar geleden in 1974 werd gepubliceerd, bracht een hatchet naar het hele idee van zwarte gaten zoals natuurkundigen ze eerder hadden begrepen. En het was Hawking's eerste klap op die fundamentele vraag.
"Klassiek zou een zwart gat 'perfect koud' moeten zijn, in die zin dat het alles absorbeert, maar niets afgeeft. Zo werden ze begin jaren zeventig begrepen", schreef Robert McNees, natuurkundige aan de Loyola University in Chicago, in een e-mail .
Zo'n zwart gat zou geen energie uitstralen en er zou niets uit kunnen ontsnappen. Het zou gewoon ... bestaan, koud, stil en eeuwig. Hawking's papier maakte de zwarte gaten levend - en mogelijk sterfelijk.
"Toen Stephen halverwege de jaren zeventig kwantummechanische effecten overwoog, ontdekte hij dat zwarte gaten in principe zouden moeten uitstralen alsof het thermische objecten met een temperatuur zijn", vertelde McNees aan WordsSideKick.com. 'Als ze energie uitstralen, zal hun massa afnemen. En hij ontdekte dat als dit gebeurt, als ze krimpen, hun temperatuur stijgt en ze nog sneller uitstralen.'
Uiteindelijk zou het zwarte gat misschien helemaal verdwijnen of krimpen tot een klein brokje. Zonder relativiteit en kwantummechanica volledig te combineren in een robuuste theorie van "kwantumzwaartekracht" (wat natuurkundigen een "theorie van alles" noemen), blijft de laatste fase van die verdamping van het zwarte gat een mysterie.
"Het probleem is dat de straling volgens zijn berekeningen perfect thermisch is. Het bevat geen informatie over de toestand van het materiaal dat het zwarte gat vormde, en dit zou een fundamentele regel in de kwantummechanica schenden", schreef McNees. .
De kwantumfysica vereist dat de hele toekomst en het verleden van elk deeltje in principe mogelijk moeten zijn om erachter te komen en te koppelen door middel van een reeks geketende, causale, probabilistische gebeurtenissen. Maar als een zwart gat een ongedifferentieerde soep van deeltjes vrijgeeft met hun informatie - hun geschiedenis - onherstelbaar gewist, dan wordt die vereiste fundamenteel geschonden.
'de' informatieparadox van het zwarte gat 'en pogingen om deze op te lossen hebben veel van het werk in kwantumzwaartekracht gedreven sinds het voor het eerst werd gearticuleerd', schreef McNees.
Hawking was in 1974 al een volleerd natuurkundige. En vele korte biografieën impliceren dat, na de publicatie van zijn populair-wetenschappelijke boek "A Brief History of Time" uit 1988, zijn belangrijkste wetenschappelijke werk achter hem lag. Maar Hawking bleef tot voor kort in dit decennium belangrijke en controversiële wetenschappelijke artikelen produceren, waarbij hij worstelde met de paradox die hij decennia eerder had geïntroduceerd.
Het meest dramatische paper uit de late carrière dat Hawking schreef, suggereerde dat de zwarte gaten zoals ze klassiek werden begrepen helemaal niet bestaan.
In "Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes", gepubliceerd in 2014, suggereerde hij dat de "event horizon" rond zwarte gaten, het punt waar zelfs het licht niet meer uit kon ontsnappen, niet echt bestaat. In plaats daarvan, zo schreef hij, is er gewoon een 'schijnbare' horizon van ingesloten licht dat zou kunnen vervagen en het licht zou kunnen laten ontsnappen.
'Het ontbreken van een horizon voor evenementen betekent dat er geen zwarte gaten zijn - in de zin van regimes waaruit licht niet tot in het oneindige kan ontsnappen', schreef Hawking.
Hij suggereerde ook enkele fundamentele conceptuele problemen met een aantal kenmerken die natuurkundigen hadden toegeschreven aan zwarte gaten, zoals 'firewalls' rond hun grenzen die waarnemers vernietigen die proberen binnen te komen.
Dat was niet Hawking's laatste woord over wetenschap. In 2016 publiceerde Hawking een paper met de natuurkundige Malcolm Perry van de University of Cambridge en de natuurkundige Andrew Strominger van de Harvard University, genaamd "Soft Hair on Black Holes".
Het onderzoeksteam stelde dat zwarte gaten omgeven zijn door "zachte" of energieneutrale deeltjes, die ze haar noemen. Dat haar, schreven ze, slaat de verloren informatie op van deeltjes die worden uitgestoten door zwarte gaten op "holografische platen" buiten de grensgebieden van de zwarte gaten. Dus de informatie is, hoewel verplaatst, nooit echt verloren.
"Een volledige beschrijving van de holografische plaat en resolutie van de informatieparadox blijft een open uitdaging, die we met nieuwe en concrete instrumenten hebben voorgesteld", schreven ze.
Zelfs tegen het einde van zijn leven bleef Hawking een zeer werkende wetenschapper, die ideeën presenteerde die zijn vakgebied vooruit brachten, en ideeën die zijn collega's verwierpen.
"Ik heb de indruk dat de paper uit 2014 niet algemeen wordt geaccepteerd. De paper uit 2016, die werkt met Perry en Strominger, is een richting waar mensen nog steeds actief aan werken", schreef McNees.
"De informatieparadox van het zwarte gat was een van de bepalende vragen voor mensen die aan kwantumzwaartekracht werken. En aangezien het onbeantwoord blijft, denk ik dat het de meest interessante vraag blijft die naar voren kwam."
