Οι μαύρες τρύπες είναι παράξενα αντικείμενα που μπερδεύουν την κατανόησή μας για την φυσική. Σε μια προσπάθεια να συμβιβάσουν ορισμένα από τα παράδοξα που ανακαλύφθηκαν κατά τη μελέτη τους, οι φυσικοί έχουν προτείνει ακόμα πιο παράξενες υποθέσεις, με μια από αυτές να υποστηρίζει ότι υπονοούν ότι ζούμε σε ένα ολογραφικό σύμπαν, όπου όλα όσα βλέπουμε και αντιλαμβανόμαστε είναι στην πραγματικότητα κωδικοποιημένα στα όρια του σύμπαντός μας, μια τρισδιάστατη (συν τον χρόνο) αναπαράσταση ενός δισδιάστατου (συν τον χρόνο) σύμπαντος.
Περαιτέρω, ορισμένοι έχουν προτείνει ότι θα μπορούσε να σημαίνει ότι το σύμπαν μας βρίσκεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα ενός μεγαλύτερου σύμπαντος.
Οι μαύρες τρύπες, που σχηματίζονται όταν καταρρέουν τεράστια αστέρια, είναι περιοχές του διαστήματος όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ούτε το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Η ύπαρξή τους δημιούργησε ένα πρόβλημα κατά τη μελέτη τους από την άποψη της θερμοδυναμικής. Η τελική κατάσταση μιας μαύρης τρύπας, όταν φτάσει σε ισορροπία, εξαρτάται μόνο από τρεις παραμέτρους: τη μάζα, τη στροφορμή και το ηλεκτρικό φορτίο της.
«Στην κλασική γενική σχετικότητα, μια μαύρη τρύπα εμποδίζει οποιοδήποτε σωματίδιο ή μορφή ακτινοβολίας να δραπετεύσει από την κοσμική φυλακή της», εξηγεί ο Γάλλος αστροφυσικός Jean-Pierre Luminet σε μια ανασκόπηση του 2016. «Για έναν εξωτερικό παρατηρητή, όταν ένα υλικό σώμα διασχίζει έναν ορίζοντα γεγονότων χάνεται κάθε γνώση των υλικών ιδιοτήτων του. Παραμένουν μόνο οι νέες τιμές των M [μάζα], J [στροφορμή] και Q [ηλεκτρικό φορτίο]. Ως αποτέλεσμα, μια μαύρη τρύπα καταπίνει μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών».
Το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας
Ακούγεται απλό, έτσι δεν είναι, ή τουλάχιστον όσο πιο απλό μπορεί να γίνει η φυσική; Αλλά αν μια μαύρη τρύπα έχει μάζα (και έχει πολλή μάζα), τότε θα πρέπει να έχει θερμοκρασία σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, και σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, θα πρέπει να εκπέμπει θερμότητα.
Ο Στίβεν Χόκινγκ έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες θα πρέπει να εκπέμπουν ακτινοβολία – που τώρα ονομάζεται ακτινοβολία Hawking – η οποία σχηματίζεται στα όρια μιας μαύρης τρύπας.
«Ο Χόκινγκ επισήμανε στη συνέχεια ένα παράδοξο. Αν μια μαύρη τρύπα μπορεί να εξατμιστεί, ένα μέρος της πληροφορίας που περιέχει χάνεται για πάντα», συνέχισε ο Luminet. «Η πληροφορία που περιέχεται στη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα υποβαθμίζεται- δεν ανακεφαλαιώνει πληροφορίες για την ύλη που είχε προηγουμένως καταπιεί η μαύρη τρύπα. Η ανεπανόρθωτη απώλεια της πληροφορίας έρχεται σε σύγκρουση με ένα από τα βασικά αξιώματα της κβαντομηχανικής. Σύμφωνα με την εξίσωση Schrödinger, τα φυσικά συστήματα που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου δεν μπορούν να δημιουργήσουν ή να καταστρέψουν πληροφορίες, μια ιδιότητα γνωστή ως μοναδιαία».
Αυτό είναι γνωστό ως το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας και – δεδομένου ότι φαίνεται να παραβιάζει την τρέχουσα κατανόηση του σύμπαντος – έχει αποτελέσει αντικείμενο πολλών μελετών και συζητήσεων.
Μια προτεινόμενη λύση, κατά κάποιο τρόπο, βρέθηκε εξετάζοντας τη θερμοδυναμική των μαύρων οπών στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών. Ο Gerard ‘t Hooft έδειξε ότι οι συνολικοί βαθμοί ελευθερίας που περιέχονται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας ορίζονται κατ’ αναλογία με την επιφάνεια του ορίζοντά της και όχι με τον όγκο της. Αυτό επιτρέπει την εξέταση της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας.
«Από τη σκοπιά της πληροφορίας, κάθε bit με τη μορφή 0 ή 1 αντιστοιχεί σε τέσσερις περιοχές Planck, γεγονός που επιτρέπει την εύρεση του τύπου Bekenstein-Hawking για την εντροπία», πρόσθεσε ο Luminet. «Για έναν εξωτερικό παρατηρητή, οι πληροφορίες σχετικά με την εντροπία της μαύρης τρύπας, που κάποτε φέρονταν από την τρισδιάστατη δομή των αντικειμένων που έχουν περάσει τον ορίζοντα γεγονότων, φαίνονται χαμένες. Όμως, σύμφωνα με αυτή την άποψη, οι πληροφορίες είναι κωδικοποιημένες στη δισδιάστατη επιφάνεια της μαύρης τρύπας, σαν ένα ολόγραμμα. Επομένως, κατέληξε ο ‘t Hooft, η πληροφορία που καταπίνει μια μαύρη τρύπα μπορεί να αποκατασταθεί πλήρως κατά τη διαδικασία της κβαντικής εξάτμισης».
Ενώ αυτό είναι καθησυχαστικό από μια άποψη (οι μαύρες τρύπες δεν παραβιάζουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ζήτω), οδηγεί σε μια αρκετά εξωπραγματική ιδέα ότι η φυσική ενός τρισδιάστατου όγκου μπορεί να περιγραφεί στο δισδιάστατο σύνορό του.
Το σύμπαν θα μπορούσε να είναι μια μαύρη τρύπα
Ενώ αυτό δεν ισχύει για τον χώρο έξω από μια μαύρη τρύπα, υπάρχουν προτάσεις ότι το ίδιο το σύμπαν θα μπορούσε να είναι μια μαύρη τρύπα, όπου όλες οι διεργασίες λαμβάνουν χώρα στο όριο και αυτό που παρατηρούμε προκύπτει από αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Πρόκειται για μια τρελή ιδέα, με ακόμη πιο τρελές προεκτάσεις. Για παράδειγμα, έχει προταθεί ότι η βαρύτητα θα μπορούσε να προκύψει ως μια αναδυόμενη δύναμη από την εντροπία διεμπλοκής στο όριο.
Η θεωρία δεν είναι η πιο συναρπαστική ιδέα που υπάρχει για να εξηγήσει το σύμπαν μας, με την καθιερωμένη φυσική να εξακολουθεί να περιγράφει καλύτερα το σύμπαν που βλέπουμε. Υπάρχουν όμως λόγοι για τους οποίους οι άνθρωποι την παίρνουν στα σοβαρά.
Πρώτον, για να λειτουργήσει το μοντέλο, η ακτίνα Hubble του σύμπαντος – η ακτίνα του παρατηρήσιμου σύμπαντος – πρέπει να είναι ίδια με την ακτίνα Schwarzschild, ή το μέγεθος της μαύρης τρύπας που θα δημιουργούνταν αν όλη η ύλη μέσα σε αυτό συμπυκνωνόταν σε ένα μόνο σημείο. Αυτά τα δύο μεγέθη είναι, στην πραγματικότητα, εκπληκτικά κοντά, αν και αυτό μπορεί επίσης να αποδοθεί σε μια κοσμική σύμπτωση.