ΑρχικήΕπικοινωνίαΠρόσβασηΣυχνές ΕρωτήσειςΠεριεχόμενα
Επιλογές για ΑΜΕΑ:Enlarge fontsReduce fonts
ΤΟ ΙΔΡΥΜΑ
ΥΠΟΤΡΟΦΙΕΣ
ΕΚΔΟΤΙΚΟ ΤΜΗΜΑ
ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ
ΠΛΑΝΗΤΑΡΙΟ
ΔΙΑΔΡΑΣΤΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ Ε&Τ
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΣΥΝΕΔΡΙΩΝ
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ
Σύνθετη αναζήτηση
  ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΣΥΛΛΟΓΕΣ
ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΙΔΡΥΜΑΤΟΣ
ΨΗΦΙΑΚΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ
ΑΣΤΡΟΠΥΛΗ
ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΚΟΣΜΟΣ
Valid HTML 4.01 Transitional
ΝέαΗμερολόγιοΠρόγραμμα ΠροβολώνΕνημερωτικό ΔελτίοΔ. Τύπου
 
ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥΝΕΑ - ΕΙΔΗΣΕΙΣ
PrintEmailBack

Ο Stephen Hawking, οι μαύρες τρύπες και το παράδοξο της χαμένης πληροφορίας

Αλέξης Δεληβοριάς 

Ο Steven Hawking, ένας από τους σπουδαιότερους θεωρητικούς φυσικούς της εποχής μας, «έφυγε» νωρίς το πρωί της 14ης Μαρτίου σε ηλικία 76 ετών. Ιδιαίτερα αγαπητός στους συναδέλφους του και στο ευρύτερο κοινό, τόσο για την δύναμη του μυαλού του, όσο και για το σθένος με το οποίο αντιμετώπιζε την εκφυλιστική διαταραχή του νευρικού συστήματος από την οποία έπασχε, ο Hawking ήταν ο πιο αναγνωρίσιμος φυσικός της εποχής μας. Ένας άνθρωπος θαυμαστός, ο οποίος ουδέποτε επέτρεψε στην βαριά μυοπαραλυτική του ασθένεια να σταθεί εμπόδιο  στην διανοητική του προσπάθεια να απαντήσει σε ορισμένα από τα πλέον θεμελιώδη ερωτήματα για τις απαρχές του Σύμπαντος και την φύση των μαύρων τρυπών. Τον θυμάμαι ακόμη να δίνει την δημόσια διάλεξη του 15ου TEXAS/ESO–CERN Συμποσίου για την Σχετικιστική Αστροφυσική, την Κοσμολογία και την Θεμελιώδη Φυσική το μακρινό 1990, στην κατάμεστη αίθουσα συνεδριάσεων του Brighton, καθηλωμένο στο αναπηρικό του αμαξίδιο, με το κεφάλι μονίμως γερμένο στο πλάι, να μιλά για τις μαύρες τρύπες με την χαρακτηριστική συνθετική του φωνή…

Αναμφίβολα, το όνομά του θα μείνει για πάντα συνδεδεμένο με τις μαύρες τρύπες, τις οποίες άρχισε να μελετά, όταν αντιπροσώπευαν παράξενες μαθηματικές λύσεις των εξισώσεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) και δεν είχαν ακόμη αποκτήσει υλική υπόσταση μέσα από τον θάνατο των γιγάντιων άστρων. Φυσικά, γνωρίζουμε πλέον ότι οι μαύρες τρύπες αποτελούν το τελικό στάδιο της εξέλιξης των άστρων με μάζα πολλαπλάσια απ’ αυτήν του Ήλιου. Τα άστρα αυτά, όταν εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους καύσιμα, εκρήγνυνται ως σουπερνόβα, ενώ ο κεντρικός τους πυρήνας καταρρέει οριστικά και αμετάκλητα σ’ ένα σημείο άπειρης πυκνότητας, όπου οι νόμοι της φυσικής, όπως τουλάχιστον τους γνωρίζουμε, καταρρέουν. Το σημείο αυτό ονομάζεται ιδιομορφία και «κρύβεται» από το υπόλοιπο Σύμπαν πίσω από μία σφαιρική επιφάνεια, γνωστή ως ορίζοντας γεγονότων.  Η βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή, ώστε πέρα απ’ αυτό το όριο της «μη επιστροφής», που ορίζει ο ορίζοντας γεγονότων της, τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει, ούτε καν το φως.
 
Ξεκινώντας το διδακτορικό του στην Οξφόρδη, υπό την επίβλεψη του σπουδαίου κοσμολόγου Denis Sciama, ο Hawking αρχικά εστίασε την έρευνά του στην θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία δεν είχε ακόμη καθιερωθεί τότε. Μέσα απ’ αυτές τις πρώτες του μελέτες και σε συνεργασία με τον σπουδαίο θεωρητικό φυσικό και φίλο του Roger Penrose, διατύπωσαν σειρά θεωρημάτων σύμφωνα με τα οποία εάν υιοθετήσουμε την ΓΘΣ, κάθε μαύρη τρύπα πρέπει να εμπεριέχει μία ιδιομορφία (Penrose) και, εάν αναστρέψουμε το βέλος του χρόνου, κάθε διαστελλόμενο σύμπαν πρέπει να ξεκινά από μία ιδιομορφία (Hawking).

Στην συνέχεια, ο Hawking μελέτησε σε βάθος την συμπεριφορά των μαύρων τρυπών και τα αποτελέσματα στα οποία κατέληξε αποτελούν ίσως την κορυφαία του συνεισφορά στον τομέα της έρευνάς του. Σε συνεργασία με τους James Bardeen και Brandon Carter και χρησιμοποιώντας την ΓΘΣ, ο Hawking διατύπωσε το 1973 τους 4 νόμους των μαύρων τρυπών, αναδεικνύοντας παράλληλα την αξιοσημείωτη αναλογία τους με τους 4 θεμελιώδεις νόμους της θερμοδυναμικής.

Για παράδειγμα, σύμφωνα με τον 2ο νόμο των μαύρων τρυπών, η επιφάνεια που καταλαμβάνει ο ορίζοντας γεγονότων μίας μαύρης τρύπας μπορεί μόνο να αυξάνεται. Αυτό υποδηλώνει ότι μία μαύρη τρύπα δεν θα μπορούσε ποτέ να διασπαστεί σε δύο μικρότερες ή να «εξαερωθεί», διότι κάτι τέτοιο θα συνεπαγόταν μείωση της επιφάνειας του ορίζοντα γεγονότων της. Διαισθητικά, ο νόμος αυτός έχει βάση διότι εξ’ ορισμού μία μαύρη τρύπα μπορεί μόνο να απορροφά και όχι να αποβάλλει ύλη και ενέργεια, που σημαίνει ότι η μάζα της και άρα το μέγεθός της, δηλαδή η ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων της, και κατά συνέπεια το εμβαδό του μπορούν μόνο να αυξάνουν. Αυτό το χαρακτηριστικό γνώρισμα των μαύρων τρυπών ώθησε τον Hawking να θεωρήσει ότι η διαρκώς αυξανόμενη επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων είναι κατά μία έννοια ανάλογη με μία άλλη φυσική παράμετρο που επίσης δεν μειώνεται ποτέ: την εντροπία.

Πραγματικά, σύμφωνα με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής, η εντροπία, που μπορεί να θεωρηθεί ότι αντιπροσωπεύει το επίπεδο της αταξίας σε ένα κλειστό σύστημα, πάντα αυξάνεται. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ισχύος του 2ου θερμοδυναμικού νόμου αποτελεί η αύξηση της εντροπίας από την αλλαγή φάσης ενός υλικού από στερεό σε υγρό και εντέλει σε αέριο, η οποία οφείλεται στην αύξηση της τυχαίας κίνησης των ατόμων που το απαρτίζουν. Ένας άλλος τρόπος να κατανοήσουμε την έννοια της εντροπίας (ο οποίος σχετίζεται και με όσα θα πούμε στην συνέχεια) είναι να την συσχετίσουμε με την πληροφορία που απαιτείται, προκειμένου να περιγραφεί ένα σύστημα. Όσο, δηλαδή, μεγαλύτερη είναι η αταξία ενός συστήματος, τόσο περισσότερη πληροφορία απαιτείται προκειμένου να περιγραφεί: για παράδειγμα σε ένα στερεό κρύσταλλο, τα άτομα έχουν μικρή κινητική ενέργεια και βρίσκονται σε συγκεκριμένες αποστάσεις το ένα από το άλλο, σε αντίθεση με ένα αέριο, του οποίου τα άτομα έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια, κινούνται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις και κατά συνέπεια απαιτούνται περισσότερες πληροφορίες για την περιγραφή τους. Επομένως, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μάς λέει ότι η πληροφορία που εμπεριέχει ένα σύστημα δεν μπορεί να «χαθεί».

Υπάρχει, ωστόσο, ένα θεμελιώδες πρόβλημα με την αναλογία μεταξύ της επιφάνειας του ορίζοντα γεγονότων και της εντροπίας. Δεδομένου ότι κάθε υλικό σώμα έχει εντροπία, χαρακτηρίζεται δηλαδή από έναν βαθμό αταξίας για την περιγραφή της οποίας απαιτείται ένας συγκεκριμένος βαθμός πληροφορίας, εάν το σώμα αυτό «χαθεί» για πάντα πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων μίας μαύρης τρύπας, η εντροπία του και κάθε πληροφορία που σχετίζεται μ’ αυτό θα εξαφανιζόταν για πάντα από το Σύμπαν. Αυτό, ωστόσο, θα παραβίαζε τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Όπως μας υπενθυμίζει και ο Penrose, αυτός ίσως ήταν ο λόγος για τον οποίο o Hawking και οι συνεργάτες του θεώρησαν αρχικά ότι αυτή η «θερμοδυναμική» συμπεριφορά των μαύρων τρυπών που οι ίδιοι είχαν αναδείξει δεν είχε εντέλει κάποιο βαθύτερο φυσικό νόημα.

Πραγματικά, δεδομένου ότι καμία μορφή ενέργειας δεν μπορεί να διαφύγει από μία μαύρη τρύπα, η φυσική θερμοκρασία της «πρέπει» να ισούται με το απόλυτο μηδέν, που σημαίνει ότι η εντροπία της πρέπει να είναι μηδενική. Ο Hawking, δηλαδή, δίσταζε να προσδώσει φυσικό περιεχόμενο στην αναλογία αυτή διότι, εάν το έκανε, θα όφειλε να προσδώσει στις μαύρες τρύπες μη μηδενική θερμοκρασία, που θεωρείτο απ’ όλους παράλογο, δεδομένου ότι όλα τα θερμά αντικείμενα εκλύουν θερμική ακτινοβολία, ενώ σύμφωνα με την κλασική ΓΘΣ, οι μαύρες τρύπες απορροφούν ύλη και ενέργεια και δεν εκλύουν τίποτα.

Αξίζει να αναφερθεί εδώ ότι έναν χρόνο νωρίτερα ο φυσικός Jacob Bekenstein, βασισμένος σε θεωρήματα που είχε αποδείξει ο Hawking, υποστήριζε ότι οι μαύρες τρύπες έχουν όντως εντροπία ανάλογη της επιφάνειας που καταλαμβάνει ο ορίζοντας γεγονότων τους, ωστόσο αδυνατούσε να βρει την σταθερά αυτής της αναλογίας. Χρησιμοποιώντας την κβαντική φυσική στην ανάλυση των κλασικών μαύρων τρυπών, ο Hawking κατέληξε εντέλει στο συμπέρασμα ότι ο Bekenstein είχε κατά μία έννοια δίκιο και σε άλλη του μελέτη δεν επιβεβαίωσε μόνο την αναλογία αυτή, αλλά απέδειξε την ακριβή σχέση που συνδέει την εντροπία με τον ορίζοντα γεγονότων μίας μαύρης τρύπας.

Συνεχίζοντας τις μελέτες του για τις μαύρες τρύπες και λαμβάνοντας ξανά υπόψη του κβαντικά φαινόμενα, ο Hawking απέδειξε στην συνέχεια ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντέλει και τόσο «μαύρες», διότι εκλύουν ενέργεια με την μορφή ακτινοβολίας, που σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες έχουν μη μηδενική θερμοκρασία. Καθώς, όμως, η ακτινοβολία αυτή διαφεύγει από την μαύρη τρύπα, της «κλέβει» λίγη από την ενέργειά της και κατά συνέπεια, δεδομένης της ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας, η μαύρη τρύπα «χάνει» μάζα διαρκώς. Ο Hawking, δηλαδή, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι μαύρες τρύπες υπόκεινται σε μία πολύ αργή εξαέρωση, μέσω της ακτινοβολίας Hawking, όπως ονομάζεται.

Τι συμβαίνει όμως με τις πληροφορίες, οι οποίες είναι κωδικοποιημένες στο φως και στην ύλη που «καταπίνει» μία μαύρη τρύπα; Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη φράση «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά», προκειμένου να περιγράψουν ένα σημαντικό θεώρημα της ΓΘΣ, σύμφωνα με το οποίο το μόνο που μπορούμε να γνωρίζουμε για μία μαύρη τρύπα είναι η συνολική της μάζα, το συνολικό της φορτίο και η συνολική της στροφορμή. Οποιαδήποτε άλλη «χρήσιμη» πληροφορία (τα μαλλιά που λέγαμε), για το άστρο από το οποίο προήλθε η μαύρη τρύπα ή για την ύλη που έχει απορροφήσει, εξαφανίζεται για πάντα πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων της και δεν μπορεί ποτέ να ανακτηθεί από έναν εξωτερικό παρατηρητή. Όταν, δηλαδή, τα τελευταία ίχνη της ακτινοβολίας Hawking διαχυθούν στο Διάστημα και η μαύρη τρύπα εξαφανιστεί για πάντα μέσω αυτής της πολύ αργής διαδικασίας εξαέρωσής της, οι πληροφορίες για το πώς σχηματίστηκε η μαύρη τρύπα και για την ύλη που έχει απορροφήσει, χάνονται κι αυτές για πάντα. Και όμως, σύμφωνα με βασικές αρχές της κβαντικής φυσικής η πληροφορία δεν μπορεί ποτέ να καταστραφεί και θα πρέπει πάντα να διατηρείται. Αυτή η σοβαρότατη αντίθεση μεταξύ κβαντικής φυσικής και ΓΘΣ, έχει μείνει γνωστή ως το Παράδοξο της Χαμένης Πληροφορίας.

Για τα επόμενα 20 περίπου χρόνια το παράδοξο έμενε άλυτο. Ο Hawking, ωστόσο, ήταν τόσο βέβαιος ότι η πληροφορία χάνεται για πάντα μέσα σε μία μαύρη τρύπα, ώστε το 1997 έβαλε και στοίχημα: αυτός και ο συνάδελφός του Kip Thorne ισχυρίζονταν ότι η πληροφορία χάνεται για πάντα, ενώ ο John Preskill υποστήριζε το αντίθετο. Εντέλει το 2004, κατά τη διάρκεια ενός συνεδρίου, παραδέχτηκε ότι είχε κάνει λάθος και παρουσίασε τους τελευταίους του υπολογισμούς, σύμφωνα με τους οποίους η πληροφορία δεν χάνεται για πάντα μέσα σε μία μαύρη τρύπα, αλλά μπορεί να επανεμφανιστεί με την εξαέρωσή της μέσω της ακτινοβολίας Hawking, «μεταμφιεσμένη» όμως κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να είναι αγνώριστη. Το 2015, σε νέες του μελέτες κατέληξε ξανά στο ίδιο συμπέρασμα, ότι δηλαδή οι πληροφορίες «επιστρέφουν», σε τόσο χαοτική μορφή όμως, που ουσιαστικά είναι άχρηστες. Οι πολύπλοκοι υπολογισμοί του Hawking δεν έπεισαν όλους τους συναδέλφους του και το παράδοξο εξακολουθεί να παραμένει, παρά τις προσπάθειες κορυφαίων θεωρητικών φυσικών να το επιλύσουν.

Αυτό σημαίνει πως είτε θα πρέπει να αποδεχτούμε ότι οι πληροφορίες χάνονται για πάντα, γεγονός που θα μας αναγκάσει να ξανασκεφτούμε τις ίδιες τις βασικές αρχές πάνω στις οποίες κτίστηκε ολόκληρο το οικοδόμημα της κβαντικής φυσικής, είτε θα πρέπει να αποδεχτούμε ότι τα θεμελιώδη αξιώματα της κβαντικής φυσικής είναι αληθή. Σ’ αυτήν την περίπτωση όμως, θα πρέπει να επινοήσουμε έναν φυσικό μηχανισμό, με τη βοήθεια του οποίου η κβαντική πληροφορία με κάποιον τρόπο διατηρείται. Έχουν, μάλιστα, προταθεί αρκετές λύσεις για την επίλυση αυτού του παράδοξου, ωστόσο καμία έως τώρα δεν έχει συναντήσει την καθολική αποδοχή των επιστημόνων.

Και ένας ίσως από τους λόγους γι’ αυτό να είναι και το γεγονός ότι δεν έχει ακόμη διατυπωθεί μία ικανοποιητική κβαντική θεωρία βαρύτητας. Όλες όμως αυτές οι προσπάθειες, ανεξάρτητα από το εάν αποδειχτούν εντέλει λανθασμένες, συμβάλλουν όχι μόνο στην πληρέστερη κατανόηση των μαύρων τρυπών, αλλά μπορεί να αποδειχτούν και σημαντικά βήματα στην προσπάθεια που γίνεται για την ενοποίηση των θεωριών που περιγράφουν τον μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και τον μακρόκοσμο του Σύμπαντος.  

Με σαφείς θέσεις σε μία σειρά από κοινωνικά και πολιτικά ζητήματα, που ξεκινούν από την Παλαιστινιακή κατοχή (είχε στηρίξει το ακαδημαϊκό μποϊκοτάζ εναντίον του Ισραήλ, ακυρώνοντας τη συμμετοχή του σε συνέδριο, με οικοδεσπότη και οργανωτή τον τότε ισραηλινό πρόεδρο Σιμόν Πέρες) και καταλήγουν στην συχνά διατυπωμένη από τον ίδιο αθεΐα του (τα όσα έχουν πει γι’ αυτόν διάφοροι μητροπολίτες της Ελλαδικής Εκκλησίας υπερβαίνουν συχνά τα όρια της χυδαιότητας), επιλέγουμε να κλείσουμε αυτό το αφιέρωμά μας στον Hawking με την απάντησή του σε ερώτηση που του τέθηκε για την τεχνολογική ανεργία στο μέλλον. Με άλλα λόγια, για την αύξηση της ανεργίας που οφείλεται στην αυτοματοποίηση όλο και περισσότερων θέσεων εργασίας, που στο παρελθόν απαιτούσαν την ανθρώπινη παρουσία. «Εάν ο πλούτος που παράγουν οι μηχανές μοιράζεται, ο καθένας θα μπορεί να απολαύσει μία ζωή πολυτελούς άνεσης. Αντιθέτως, εάν οι ιδιοκτήτες των μηχανών συσπειρωθούν επιτυχώς ενάντια στην αναδιανομή του πλούτου, οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν να καταλήξουν οικτρά φτωχοί. Μέχρι στιγμής, η τάση φαίνεται να κατευθύνεται στη δεύτερη περίπτωση, καθώς η τεχνολογία οδηγεί σε διαρκώς αυξανόμενη ανισότητα.»

ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥ © 2007Λ. Συγγρού 387 - 175 64 Π.ΦΑΛΗΡΟ - Τηλ: 210 9469600 - Fax:210 9417372 - Email:admin@eugenfound.edu.grΌροι ΧρήσηςΔικαιώματα