Zwarte gaten vernietigen mogelijk toch niet alle informatie over het spul dat ze naar binnen slurpen. Dat blijkt uit een nieuwe reeks quantumberekeningen. Natuurkundigen beweren hiermee een belangrijke paradox in de kosmos te hebben opgelost.
De vraag wat er gebeurt met informatie die in een zwart gat valt, houdt natuurkundigen al decennialang bezig. Nu beweert een groep onderzoekers het antwoord te hebben.
De kwestie is tientallen jaren geleden opgeworpen door de beroemde natuurkundige Stephen Hawking. Hij berekende dat zwarte gaten langzaam zouden moeten verdampen omdat ze energie lekken in de vorm van straling: zogeheten hawkingstraling. Toen Hawking dat bedacht, stelde het natuurkundigen voor een groot probleem. Hawkings werk liet zien dat de manier waarop een zwart gat straalt alleen afhankelijk is van zijn huidige toestand – en niet van wat er in het verleden in is gevallen. Als dat klopt, zou dat betekenen dat wanneer materie in een zwart gat valt, alle informatie over die materie vernietigd wordt.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Dat idee is in strijd met de wetten van de quantummechanica. Die stellen dat je, aan de hand van de toestand van een gesloten systeem op een willekeurig moment, altijd vooruit of achteruit in de tijd kan rekenen om te kijken hoe het er toen uitzag. Met andere woorden: het is altijd mogelijk het systeem wiskundig ‘terug te spoelen’ om zijn eerdere toestand te achterhalen.
Als informatie vernietigd wordt, dan is dat niet langer mogelijk. Dit probleem wordt de informatieparadox genoemd.
Papier of pompoentaart
Natuurkundige Xavier Calmet van de Universiteit van Sussex in het Verenigd Koninkrijk en zijn collega’s beweren nu dat zij de paradox hebben opgelost. Zij gebruikten de zogeheten quantumveldentheorie om te onderzoeken wat er gebeurt als quantummechanica en zwaartekracht op elkaar inwerken aan de rand van zwarte gaten. Toen zij hun rekenkundige correcties toepasten op berekeningen van sterren die instorten tot zwarte gaten, ontdekten zij dat hun correcties vereisen dat informatie aan het systeem ontsnapt.
‘Stel dat ik twee zwarte gaten heb die zijn gemaakt van totaal verschillende dingen. Het ene is bijvoorbeeld ontstaan uit versnipperde encyclopedieën, en het andere is gemaakt van pompoentaart. Zolang ze dezelfde massa hebben, zien deze twee zwarte gaten er volgens de klassieke natuurkunde precies hetzelfde uit’, zegt natuurkundige Stephen Hsu van de staatsuniversiteit van Michigan, die deel uitmaakt van het onderzoeksteam. ‘Wat wij nu zeggen, is dat er wel degelijk quantumkenmerken zijn waardoor het encyclopedieëngat verschilt van het taartgat.’
Tweelingsterren
Om tot hun conclusie te komen, rekende het team aan twee hypothetische sterren met dezelfde massa en grootte. Een van deze sterren had overal in zijn binnenste dezelfde dichtheid. De andere was opgebouwd uit schillen van verschillende materialen met verschillende dichtheden.
De onderzoekers ontdekten dat deze twee objecten er enigszins anders uitzien – mits je aanneemt dat de zwaartekracht uit kleine pakketjes bestaat, zogeheten quanta, zoals het geval is voor licht. Als de sterren ineenstorten tot zwarte gaten, blijft dat nog steeds het geval. En ook als een zwart gat verdampt via hawkingstraling blijft het effect bestaan, zegt Calmet.
‘Als je quantummechanica combineert met een zwart gat, wordt het vreemd genoeg een gewoner object. Je zou in principe in staat moeten zijn om het verdampingsproces in kaart te brengen, [op papier] de tijd om te keren en weer een zwart gat en uiteindelijk een ster op te bouwen’, zegt hij.
Als het klopt wat deze natuurkundigen zeggen, dan zou de extra informatie die verstopt zit in het quantumzwaartekrachtsveld van het zwarte gat de informatieparadox oplossen.
Bewijslast
Het is alleen lastig te bewijzen. Onze huidige apparatuur kan die quantuminformatie niet meten, zegt Hsu. Dat maakt het onmogelijk deze theoretische oplossing experimenteel te bevestigen.
‘Het biedt een mogelijke oplossing voor het informatieprobleem van zwarte gaten, maar het zou buitengewoon moeilijk zijn om erachter te komen of de wérkelijke oplossing is’, zegt natuurkundige Neil Lambert van het King’s College London.
Vaagheid
En zelfs als dit het antwoord is op de informatieparadox, dan nog levert de vaagheid van deze quantuminformatie nieuwe problemen op, stelt natuurkundige Don Marolf van de Universiteit van Californië, Santa Barbara.
‘De echte vraag is: hoe wordt de informatie binnen in het zwarte gat dan overgedragen op de straling die het gat uitstraalt. En waar gebeurt dat?’, zegt Marolf. ‘[Dit werk] vertelt je niet hoe en waar informatie wordt overgedragen op de straling.’
Kortom: de vraag hoe informatie uit een zwart gat ontsnapt terwijl zelfs licht erin gevangen blijft, is nog altijd onbeantwoord – ongeacht of quantumeffecten ons in staat stellen een onderscheid te maken tussen een encyclopedie-zwart-gat en een taart-zwart-gat, zegt hij.
Om echt te begrijpen wat de quantumcorrecties betekenen voor ons begrip van zwarte gaten en zwaartekracht, is meer werk nodig, zegt Calmet. Maar hij stelt wel dat dit onderzoek een stap biedt richting het begrijpen van hoe quantumzwaartekracht werkt – wat op zichzelf een nog groter mysterie is dan de informatieparadox.
