Stephen Hawking: Η συμπαντική γένεση, οι μαύρες τρύπες και δύο άλυτα παράδοξα στην επιστημονική κληρονομιά του

Ο ίδιος έκανε εμφανίσεις επί της οθόνης στα sitcoms  Star Trek: The Next Generation, τους Simpsons και το The Big Bang Theory. Τα νεανικά του χρόνια αποτυπώθηκαν στο σελιλόιντ με την οσκαρική ερμηνεία του Eddie Redmayne το 2014 στο φιλμ «The Theory of Everything» (Η θεωρία των Πάντων). Παρείχε συχνά τις συμβουλές του για οτιδήποτε μπορεί να συλλάβει η φαντασία έως μελλοντική πραγματικότητα: από τα ταξίδια στο χρόνο και τις εξωγήινες μορφές ζωής, έως τις πολιτικές εξελίξεις στη Μέση Ανατολή και το ενδεχόμενο να υπάρξουν κακόβουλα ρομπότ.

Η  δημοσιότητα όμως την οποία απολάμβανε –και η οποία ενισχύθηκε από την αναπηρία του και την προσοχή των media που προσέλκυε εξαιτίας της – συχνά επισκίαζε το επιστημονικό του έργο. Και αυτό αδικεί  τον επιστήμονα ο οποίος προχώρησε σε μία ανακάλυψη που ενδέχεται να αποτελέσει το «κλειδί» για τη διαμόρφωση μίας Θεωρίας των Πάντων, προήγαγε την κατανόησή μας για τις έννοιες του χώρου και του χρόνου, ενώ συνέβαλε στη διαμόρφωση των εξελίξεων στην επιστήμη της φυσικής κατά τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες. Με συνέπεια οι ιδέες του να εξακολουθούν μέχρι και σήμερα να διαμορφώνουν τις κατευθύνσεις της βασικής έρευνας στο πεδίο αυτό.

Η δημιουργία του σύμπαντος από μία βαρυτική μοναδικότητα

Στο διδακτορικό του, το οποίο εκπόνησε στο Cambridge κατά τη δεκαετία του 1960, ο Hawking μελετούσε την εργασία του Roger Penrose ο οποίος απέδειξε ότι, εάν ισχύει η θεωρία της σχετικότητας του Einstein, στην καρδιά κάθε «μαύρης τρύπας» πρέπει να υπάρχει ένα σημείο όπου ο χώρος και ο χρόνος καταρρέουν – μία βαρυτική ανωμαλία ή μοναδικότητα (singularity). Ο Hawking συνειδητοποίησε ότι, εάν αναστραφεί το βέλος του χρόνου, το ίδιο θα πρέπει να ισχύει και για το σύμπαν στο σύνολο του. Έτσι, απέδειξε ότι το σύμπαν, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, δημιουργήθηκε από μία ανάλογη βαρυτική μοναδικότητα.

Ωστόσο, για τον Hawking, ο κοσμικός «σπόρος» που γέννησε το σύμπαν δεν σηματοδοτεί την κατάρρευση του χώρου και του χρόνου· σηματοδοτεί την ανάγκη της κβαντικής βαρύτητας για τη μελέτη του. Προκειμένου να διερευνηθεί η κβαντική βαρύτητα, το κατάλληλο αντικείμενο ήταν οι «μαύρες τρύπες» – δηλαδή τα «απομεινάρια» άστρων πολύ μεγάλης μάζας, τα οποία κατέρρευσαν υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους, όταν εξαντλήθηκαν τα πυρηνικά τους «καύσιμα».

Το βασικό χαρακτηριστικό αυτών των σωμάτων είναι η τεράστια συγκέντρωση μάζας, με συνέπεια το βαρυτικό τους πεδίο να είναι τόσο ισχυρό ώστε να μην μπορεί να διαφύγει από αυτό ούτε το φως. Συνεπώς, οποιοδήποτε φωτόνιο ή μάζα βρεθεί στην «εμβέλεια» αυτού του πεδίου, το οποίο ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, καταλήγει αναπόφευκτα στη «μαύρη τρύπα».

Stephen και Lucy Hawking

Μαύρες τρύπες και αταξία

Εντούτοις, η ιδέα αυτή ήταν  «μαχαίρι στην καρδιά» της θεωρίας της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η εντροπία ή άλλως το επίπεδο της αταξίας που διέπει ένα σύστημα πάντοτε βαίνει αυξανόμενη. Καθώς όλη η ύλη χαρακτηρίζεται από ένα μέτρο αταξίας, τι συμβαίνει με την εντροπία της όταν εισέρχεται στη «μαύρη τρύπα»; Χάνεται κι αυτή μαζί με τη μάζα; Εάν ισχύει αυτό, τότε η συνολική εντροπία του σύμπαντος σταδιακά μειώνεται και οι «μαύρες τρύπες» παραβιάζουν το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Αρχικώς, ο Hawking πίστεψε πως ισχύει όντως η παραβίαση των νόμων της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας τις δικές του ιδέες, ο απόφοιτος του Princeton Jacob Bekenstein συνέδεσε την εντροπία με τον ορίζοντα γεγονότων, δηλαδή το όριο δηλαδή πέρα από το οποίο τίποτε δεν μπορεί να διαφύγει από την βαρυτική έλξη μιας «μαύρης τρύπας».

Ο Hawking απέρριψε αρχικά την ιδέα ότι ο ορίζοντας γεγονότων αποτελεί ένα μέτρο της αταξίας. Κι αυτό γιατί η εντροπία συνδέεται με τη θερμότητα, αλλά οι «μαύρες τρύπες» δεν θα μπορούσαν να εκπέμπουν  θερμότητα – τίποτε δεν μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη που ασκεί.

Παρ’ όλα αυτά, «δουλεύοντας» τα μαθηματικά για να αποδείξει ότι είναι λανθασμένη, όχι μόνο την επιβεβαίωσε, αλλά κατέληξε στην ακριβή σχέση που συνδέει την εντροπία με τον ορίζοντα γεγονότων.

Η ακτινοβολία  Hawking

Ο Hawking έπειτα υιοθέτησε την ιδέα ότι  οι νόμοι της θερμοδυναμικής έχουν εφαρμογή στις «μαύρες τρύπες». Οτιδήποτε διαθέτει εντροπία, υποστήριξε, έχει επίσης θερμοκρασία – και οτιδήποτε έχει θερμοκρασία ακτινοβολεί.

Συμπέρανε τότε ότι το αρχικό λάθος οφειλόταν στο ότι χρησιμοποιούσε στη θεώρησή του αποκλειστικά τη Γενική Σχετικότητα, σύμφωνα με την οποία τίποτε – ούτε η ύλη, ούτε η ακτινοβολία– δεν μπορεί να ξεφύγει από την έλξη της «μαύρης τρύπας». Αυτό όμως αλλάζει όταν μπει στο παιχνίδι η κβαντομηχανική.
    
 Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής, ζεύγη σωματιδίων και αντι-σωματιδίων γεννιούνται φευγαλέα διαρκώς στον κενό χώρο, για να συγκρουσθούν στη συνέχεια και να εξαϋλωθούν σχεδόν ακαριαία. Εάν αυτό συμβεί στις παρυφές του ορίζοντα γεγονότων, τότε το ένα σωματίδιο μπορεί να διαφύγει στο διάστημα με τη μορφή ακτινοβολίας, ενώ το άλλο να απορροφηθεί εντός της μαύρης τρύπας. Έτσι, τα φωτόνια που διαφεύγουν συνιστούν την ακτινοβολία που εκπέμπει μία μαύρη τρύπα, η οποία έχει λάβει το όνομα ακτινοβολία Hawking.

Το «παράδοξο της χαμένης πληροφορίας»

Από την άλλη πλευρά, η θεωρητική ανακάλυψη του Hawking μπορεί να έλυσε το πρόβλημα της εντροπίας, αλλά ανέδειξε ένα ακόμη πιο δύσκολο πρόβλημα.  Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, καθώς μία  μαύρη τρύπα «καταπίνει» για πάντα τα φωτόνια και τα σώματα που θα βρεθούν μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, καταστρέφει για πάντα και τις περισσότερες πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες σε αυτά.

Έτσι, από εκείνη τη στιγμή και έπειτα, αυτές οι πληροφορίες δεν μπορούν να ανακτηθούν από έναν εξωτερικό παρατηρητή. Μάλιστα, κάθε «μαύρη τρύπα» τελικά θα «εξατμισθεί», λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπει, παίρνοντας μαζί της στον «θάνατό» της όλες τις πληροφορίες, που θα χαθούν για πάντα.   

Με βάση, όμως, τις αρχές της κβαντικής φυσικής, η πληροφορία δεν μπορεί να εξαφανισθεί και θα πρέπει να διατηρείται διά παντός. Έτσι, αναδείχθηκε μία αντίφαση, η οποία ονομάστηκε «παράδοξο της χαμένης πληροφορίας», που έφερε σε αντίθεση τους δύο βασικούς «πυλώνες» της φυσικής – τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και την κβαντική φυσική.

Στροφή 180 μοιρών

Αρχικώς, ο Hawking υποστήριξε πως οι πληροφορίες όντως χάνονται, κάτι που θα σήμαινε πως οι «μαύρες τρύπες» παραβιάζουν τις αρχές της κβαντικής φυσικής. Αρκετά χρόνια αργότερα, και πιο συγκεκριμένα το 2014, έκανε στροφή 180 μοιρών, ανακοινώνοντας σε συνέδριο στο Δουβλίνο ένα θεωρητικό μοντέλο με βάση το οποίο επιτρέπεται η διατήρηση της πληροφορίας.

Η σχετική αντιπαράθεση συνεχίζεται έως σήμερα. Στην πράξη, πολλοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι η απώλεια της πληροφορίας είναι το πλέον σημαντικό εμπόδιο για την κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας.

Στην πορεία, μάλιστα,  ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί διατύπωσαν ένα νέο παράδοξο, το λεγόμενο  «παράδοξο του τείχους προστασίας» (firewall paradox), το οποίο αφορά τη διατήρηση ή μη της συσχέτισης που έχουν τα ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων, τα οποία δημιουργούνται στις παρυφές του ορίζοντα γεγονότων, από τη στιγμή που ο ένας «εταίρος» κάθε ζεύγους καταλήξει εντός της μαύρης τρύπας.

«Η ακτινοβολία κάθε μαύρης τρύπας μάς βάζει σημαντικούς γρίφους που ακόμη και σήμερα προσπαθούμε να επιλύσουμε», λέει χαρακτηριστικά ο Sean Carroll, θεωρητικός φυσικός από το Caltech. «Δεν είναι άδικο να υποστηρίξει κανείς πως η ακτινοβολία Hawking είναι το μοναδικό σημαντικό στοιχείο που έχουμε, για την τελική εναρμόνιση της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας, η οποία αναμφίβολα πρόκειται για τη μεγαλύτερη πρόκληση που αντιμετωπίζει σήμερα η θεωρητική φυσική».

New Scientist