Stephen Hawking on jo vuosikymmeniä pohtinutmitä tapahtuu mustien aukkojen sisäänsä imaisemalle informaatiolle. Vuosien varrella käsitys on muuttunut radikaalisti.

 

Mitä tapahtuu mustan aukon vangitsemalle informaatiolle? Tämän arvoituksen ratkaisemisessa on otettu merkittävä askel, kun Stephen Hawkingin ja kahden muun fyysikon odotettu tutkimus on vihdoin maanantaina julkaistu Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.Mustiin aukkoihin liittyvän niin kutsutun informaatio-ongelman ratkaisu saattaa tutkimuksen mukaan piileksiä aukkojen ”pehmeissä karvoissa”. Tutkimus on syntynyt yhteistyössä Cambridgen yliopiston Malcolm Perryn ja Harvardin yliopiston Andrew Stromingerin kanssa.

Kolmikko on pitkään jatkuneissa tutkimuksissaan tullut tulokseen, että mustien aukkojen tapahtumahorisontin liepeillä piileksii myös informaatiota sisältävä pehmeiden karvojen muodostama kehrä tai kiekko.

Karvat eivät ole tietenkään ole oikeita vaan kvanttimekaanisia karvoja: matalaenergisiä kvantteja ja niiden tiloja.

Kvantti on kvanttiteorian peruskäsite. Kvantti on sähkömagneettisen säteilyn eli energian perusosanen.

Karva-nimitys juontaa juurensa kuuluisan fyysikon John Wheelerin vuosien takaisesta kommentista: ”mustilla aukoilla ei ole karvoja”. Tällä Wheeler tarkoitti, että kerran aukon sisään mentyään, mikään ei sieltä enää ulos pääse.

Hawkingin, Perryn ja Stromingerin tutkimuksessa arvellaan, että kvanttikarvoihin on kopioitunut tieto kaikesta, mitä musta aukko on sisäänsä niellyt.

Karvoja voi verrata esimerkiksi valokuvan piskuisiin pikseleihin. Niistä jokaiseen on tallentunut pieni osa koko kuvan informaatiosta.

Kun musta aukko aikojen päästä haihtuu Hawkingin säteilyn vaikutuksen myötä, karvoihin tallentunut informaatio vapautuu.

Se, pystytäänkö tuota informaatiota enää tulkitsemaan, onkin sitten jo eri juttu.

Ei ratkaise koko ongelmaa

 

 

Nyt julkaistu uusi tutkimus ei informaatio-ongelmaa vielä ratkaise. Näin huomauttaa tutkimuksen yhteydessä julkaistun kommenttiartikkelin kirjoittaja Kalifornian yliopiston fyysikko Gary Horowitz. – On tärkeätä tuoda esille, että tämä tutkimus ei vielä ratkaise mustan aukon informaatiopulmaa kokonaisuudessaan, mutta se on lupaava askel kohti ongelman ratkaisua, Horowitz kirjoittaa.

Tutkimuksen on jo sanottu olevan askel lähemmäksi niin kutsuttua Kaiken teoriaa. Kaiken teoria yhdistäisi pienen mittakaavan kvanttiteorian ja suuren mittakaavan suhteellisuusteorian toisiinsa.

Tämä on jo vuosikymmeniä ollut yksi fysiikan tavoitelluimmista teorioista.

Mustien aukkojen olemassaolo tiedetään

 

 

Mustien aukkojen tiedetään epäsuorien havaintojen perusteella olevan olemassa.

Kun aukot imevät itseensä ainetta ympäröivästä avaruudesta, tämä näkyy aukkojen ympäristössä esimerkiksi säteilynä, jota aukkoon valuva aine kuumetessaan ympäristöönsä sinkoaa.

 

 

23707834.jpg

 

 

Kun tämän 500 miljoonan valovuoden päässä Maasta sijaitsevan galaksin keskellä oleva supermassiivinen musta aukko imee sisäänsä ainetta, aukon liepeiltä sinkoutuu avaruuteen valtaisa säteilypurkaus.

 

Aukoista on saatu myös suora havainto.

Helmikuussa julkistettiin tieto, että Yhdysvalloissa sijaitseva LIGO-havaintolaitteisto oli saanut ensimmäisen kerran pyydykseensä Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustaman gravitaatioaallon.

Painovoima-aalto oli lähtöisin kahdesta noin 30 kertaa Auringon massaisesta mustasta aukosta, jotka sulautuivat toisiinsa 1,3 miljardin valovuoden päässä Maasta.

 

23707828.jpg

 

LIGO-tutkimuslaitteiden sieppaama gravitaatioaalto oli lähtöisin kahdesta toisiinsa sulautuvasta mustasta aukosta. Siniset pallurat kuvaavat aukkoja.

 

Mistä informaatiopulma juontaa juurensa?

 

 

Mustan aukon informaatio-ongelmassa on kysymys on siitä, mitä aukkoon katoavalla aineelle ja aineesta kertovalle informaatiolle lopulta tapahtuu.

Klassisen fysiikan lakien mukaan mikään ei pakene mustasta aukosta. Mustan aukon tapahtumahorisontti on raja, jonka sisäpuolelta edes valo ei pääse ulos.

Atomia pienempien hiukkasten maailmaa selittävä kvanttiteoria ei tätä sulata, sillä informaation säilyminen on yksi kvanttimekaniikan keskeisistä laeista. Maailmankaikkeus on kuin supertietokone, joka muistaa, minkälaista ainetta ja kuinka paljon sitä on missäkin ollut.

Aine ei katoa jättämättä merkkejä itsestään. Ei edes mustaan aukkoon, vaikka näin uskottiin pitkään.

Stephen Hawking on yksi maailman tunnetuimmista tutkijoista. Hänen tapoihinsa kuuluu ottaa julkisuudessa kantaa myös moneen tiedemaailman ulkopuoliseen asiaan.

Äskettäin hän sanoi Donald Trumpia kansankiihottajaksi, jonka suosiota hän ei osa selittää.

 

 

 

Hawkingin säteily haihduttaa mustan aukon

 

 

Stephen Hawkingin merkittävin tutkimustulos 1970-luvun puolivälissä hämmensi, sillä hän keksi, että musta aukko ei ole ikuinen.

Hawking päätteli, että kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan mustasta aukosta pakenee säteilyä, kun aukko imee ainetta itseensä. Samalla mustan aukon tapahtumahorisontin liepeiltä karkaa energiaa ympäröivään avaruuteen.

Tämä johtaa pitkällä aikavälillä siihen, että mustakin aukko haihtuu pois.

Hawking johtopäätteli, että karkaava säteily ei kanna enää mukanaan mitään hyödyllistä informaatiota, sillä musta aukko on tuhonnut informaation.

Tämä ei kuitenkaan nykyfysiikkaan istu, sillä sen periaatteiden mukaan ajassa voidaan palata myös taaksepäin eli informaatiosta pitää olla jälki jossakin.

Tästä juontaa juurensa mustiin aukkoihin liittyvä informaatio-ongelma.

 

Hawking on nyt eri mieltä

 

Hawking on sittemmin muuttanut mieltään. Uusi tutkimus on yksi pitkän ajatteluprosessin huipentuma.

Tutkimus julkaistiin viime tammikuussa tieteellisten tutkimusten sähköisten ennakkojulkaisujen arXiv-verkkoarkistossa, jotta muut tutkijat pääsisivät ruotimaan sitä.

Uuden tutkimuksen julkaisemisesta kertoo muun muassa The New York Times laajassa.

Tutkimuksen myötä Hawking myöntää, että osa hänen 1970-luvulla esittämistään väitteistä oli vääriä. Tämän hän on myöntänyt myös julkisuudessa.

– Musta aukko ei ole ikuinen vankila kuten aiemmin luulimme. Jos koet olevasi vankina mustassa aukossa, älä anna periksi. Sieltä pääsee pois, Hawking sanoi viime vuoden elokuussa esitelmöidessään Tukholmassa.

Nyt uusi tutkimus on julkaistu vertaisarvioituna, ja sitä pidetään tärkeänä askeleena informaatio-ongelman avaamisessa.

Lisätutkimuksia tosin tarvitaan.

Kommenttikirjoituksessaan Gary Horowitz sanoo, että pelkästään tämän tutkimuksen pehmeät karvat eivät selitä kaikkea. Horowitzin mukaan on on löydettävä vielä lisää ja erilaisia karvoja.

Tutkimus tarkastelee informaatio-ongelmaa vain sähkömagneettisten kenttien avulla. Jotta tulos olisi kattavampi, saman pitäisi päteä myös painovoiman alueella.

Tämän parissa Hawking kumppaneineen kuuleman mukaan parhaillaan ahertaa.