Zmarły 14 marca 2018 Stephen Hawking pod koniec życia zmienił zdanie w sprawie tzw. czarnych dziur. Uważał, że ich istnienie może być kluczem do zrozumienia zasad podróży w czasie.

Stephen Hawking: - Myliłem się, czarne dziury nie niszczą informacji. Mogą prowadzić do innych światów

To był kolejna wolta genialnego słynnego brytyjskiego fizyka, którego choroba - stwardnienie zanikowe boczne - przykuła na większość życia do wózka. Przez lata Hawking upierał się, że czarne dziury niszczą wszelką informację o tym, co do nich wpada. I że jest ona już na zawsze stracona. I wreszcie zmienił zdanie.

Twierdził pod koniec życia, że informacja zostaje zapisana w postaci holograficznego wzoru na powierzchni horyzontu czarnych dziur i stopniowo ucieka na zewnątrz.

Swoją hipotezę przedstawił na konferencji w Królewskim Instytucie Technologicznym w Sztokholmie, na której zgromadziło się kilkudziesięciu największych ekspertów od kwantowej grawitacji. Opracował ją we współpracy z Andrew Stromingerem z Harvardu oraz Malcolmem Perrym z Uniwersytetu Cambridge.

Hawking prezentuje w Sztokholmie swoją nową hipotezę:

Pojawia się i znika. Paradoks

To była próba poradzenia sobie z tzw. informacyjnym paradoksem czarnych dziur. Paradoksem, za który jest odpowiedzialny sam Hawking. O co chodzi?

Według mechaniki kwantowej informacja o stanie każdego układu fizycznego, zapisana pod postacią tzw. funkcji falowej, nigdy nie może zginąć ani zostać wymazana. Tymczasem z teorii grawitacji Einsteina wynika, że czarne dziury bezpowrotnie pochłaniają wszystko, co przekroczy ich horyzont. Zarówno materię, jak i światło. Jedno z twierdzeń matematycznych, opisujących te zachłanne twory, mówi, że "czarne dziury nie mają włosów". Ten termin wymyślił amerykański fizyk John Wheeler, a miał na myśli to, że gdy patrzymy na czarne dziury, to nic, żaden włosek, nie zdradza tego, co wpadło do środka. Słowem, czarne dziury są jak faceci w czerni - wszystkie takie same. To znaczy - prawie takie same. Tylko trzy cechy odróżniają jedną dziurę od drugiej: masa, prędkość obrotowa i ładunek elektryczny. Ale, co w tym wypadku jest istotne, pełna informacja o funkcji falowej obiektów, które wpadły do środka, nie jest już dla nas dostępna. Dosłownie znika nam z oczu.

Dopóki czarna dziura istnieje, to mechanika kwantowa jeszcze się broni. Można sobie wyobrażać, że informacja nie została zniszczona, lecz ukrywa się we wnętrzu dziury. Nie możemy jej wprawdzie odczytać, ale ona tam jest.

Tę furtkę, która ratowała teorię, zamknął jednak z wielkim trzaskiem Hawking, kiedy w latach 70. zeszłego wieku wykazał, że czarne dziury emitują promieniowanie cieplne, stopniowo tracą masę i powinny z czasem "wyparować". Nic po nich nie zostanie, informacja o tym, co do nich wpadło, na zawsze będzie stracona - argumentował Hawking.

Większość fizyków się z tym pogodziła, ale kilku - m.in. holenderski noblista Gerard 't Hooft czy Amerykanin Leonard Susskind - zaprotestowało. Doskonale zdawali sobie sprawę z tego, że kiedy się dopuści możliwość znikania informacji, oznacza to katastrofę dla teorii. Zerwana zostaje ciągłość między przeszłością i przyszłością, która jest gwarantowana przez podstawową zasadę fizyki. Fachowo mówi się, że złamana zostaje unitarność teorii. Jak wykazał Gerard 't Hooft, złamanie tej zasady narusza cały gmach mechaniki kwantowej.

- Dopuszczenie do ginięcia informacji w czarnych dziurach byłoby wysoce zaraźliwe - tłumaczy John Preskill z Caltech w Pasadenie. - Trzeba byłoby dopuścić, że może też ginąć i powstawać z niczego energia. I to nie tylko daleko w kosmosie, ale również w naszych laboratoriach.

Od lat fizycy usiłują rozwiązać ten - jak go się nazywa - "informacyjny paradoks", ale do tej pory bez powodzenia.

Tajemnica wszechświata jako hologramu

Jakie rozwiązanie zaproponował wtedy Hawking? Uczony twierdził, że zawartość czarnej dziury zostaje "zinwentaryzowana" w postaci holograficznego zapisu na jej krawędzi.

To nie jest nowa idea - prof. Susskind oraz 't Hooft także wcześniej rozważali coś podobnego, powołując się na zasadę holograficzną, która jest jednym z wniosków teorii superstrun. Ta zasada mówi, że wszystko wewnątrz danego rejonu przestrzeni można opisać za pomocą bitów informacji zapisanych na otaczającej go powierzchni granicznej. Susskind i 't Hooft sugerowali tym samym, że informacja o wnętrzu czarnej dziury jest zapisana na jej powierzchni.

Nowością jest to, że kilka lat temu Hawking przedstawił konkretny mechanizm takiego zapisu. - To rozwiązuje kwestię paradoksu informacyjnego - mówił uczony podczas prezentacji w Królewskim Instytucie Technologicznym w Sztokholmie.

Współautor tej hipotezy Andrew Strominger był bardziej ostrożny. Mówił, że prace nad nową teorią wciąż trwają, choć jest pewien, że ona "całkowicie przeformułuje to, w jaki sposób myślimy o czarnych dziurach". Pomoże także w pogodzeniu grawitacji z mechaniką kwantową, co jest od lat upragnionym celem współczesnej fizyki teoretycznej.

Ale inni fizycy podkreślają, że trzeba poczekać na szczegóły obliczeń matematycznych, które jeszcze nie zostały opublikowane.

Hawking zaprezentował w Sztokholmie, na czym z grubsza polega rozwiązanie. Hologram powstaje ze światła, które jest uwięzione na horyzoncie czarnej dziury (to promieniowanie, które ucieka z wnętrza czarnej dziury, ale nie może się wydostać, bo pod horyzontem graniczna prędkość światła nie wystarcza już do ucieczki). Dowolny obiekt, który przekracza horyzont, powoduje "przesunięcie" w tym wiecznie uciekającym świetle, tj. zaburza jego wzór i pozostawia w nim charakterystyczny ślad (w formie tzw. supertranslacji, cokolwiek to ma oznaczać).

W tym wzorze, niczym w hologramie, zapisana zostaje cała informacja o tym, co wpadło do czarnej dziury.