Eðlisfræðingurinn kunni Stephen Hawking virðist nú loks hafa sætt sig við það sem margir samstarfsmenn hans hafa talið í áratugi: svarthol varðveita upplýsingarnar um efnið sem fellur í þau. Í fyrirlestri sem hann hélt þann 21. júlí síðastliðinn á eðlisfræðiráðstefnu í Dyflinni á Írlandi, skýrði Hawking frá niðurstöðum sínum og játaði sig sigraðan í veðmáli sem hann gerði við eðlisfræðinginn John Preskill, prófessor við Caltech, árið 1997. Hawking keypti alfræðiorðabók um hafnabolta fyrir Preskill og sendi hana vestur um haf.

„Ég var í miklum vandræðum með að finna bók um hafnabolta, svo ég bauð honum alfræðiorðabók um krikket í staðinn“, sagði Hawking, „en John lét ekki sannfærast um yfirburði krikkets“.
„Það er frábært að leysa vandamál sem hefur valdið mér heilabrotum í nærri 30 ár, jafnvel þótt svarið sé ekki jafnspennandi og hinn valkosturinn“, bætti Hawking við.

Þetta er ekki í fyrsta skipti sem Hawking tapar veðmáli. Í desember árið 1974 tapaði hann veðmáli gegn Kip Thorne um hvort röntgenuppsprettan Cygnus X1 væri svarthol eða ekki og keypti handa honum ársáskrift af Penthouse tímaritinu.

Þótt margir eðlisfræðingar séu sammála niðurstöðum Hawkings, eru þeir ekki endilega sannfærðir um röksemdafærslu hans. Preskill segist sjálfur ekki skilja hana og Kip Thorne, stjarneðlisfræðiprófessor við Caltech, sem stóð að veðmálinu ásamt Hawking, er ekki tilbúinn að játa sig sigraðan. Málið hefur aðallega fengið fjölmiðlaathygli vegna orðstírs Hawkings en ekki vegna þess að fyrirlestur hans í Dyflinni hafi opnað nýjar dyr.

Hawkingsgeislun og upplýsingaþversögnin

Árið 1974 birti Hawking fræga grein sem nefndist „Black Holes Ain't So Black“, sem þýða mætti „Svarthol eru alls ekkert svo svört eftir allt saman“. Hawking sýndi þar fram á, þvert á hugmyndir annarra vísindamanna, að svarthol geisluðu hægt og rólega efnisögnum frá sér út í rúmið í kring. Þetta fyrirbæri hefur síðan verið nefnt „Hawking-geislun“. Þegar æviskeið svarthols er á enda, það er þegar stærð þess hefur skroppið saman niður í stærð atómkjarna, hverfur það svo með hvelli.

Flestir eðlisfræðingar tóku þessari hugmynd fagnandi. Hawking ritaði þó hjá sér vandamál sem nefnist „upplýsingaþversögnin“. Útreikningar Hawkings bentu til að straumur geislunnar frá svartholi væri sviplaus og að því er virðist tilviljunakenndur, sem bæri þar af leiðandi engar upplýsingar um efnið sem upphaflega myndaði svartholið eða féll síðar ofan í það. Með öðrum orðum, svarthol myndi ekki skilja eftir sig eða varðveita nein ummerki um efnið sem það gleypti.

Þetta brýtur hins vegar í bága við eina grundvallarkenningu skammtafræðinnar. Í skammtafræði - þeirri grein eðlisfræðinnar sem fæst við hið agnarsmáa - ætti alltaf að vera mögulegt að rekja upphafsástand hlutar til baka að upprunanum, a.m.k. fræðilega séð. Þessi staðreynd leikur afar mikilvægt hlutverk í lögmálum eðlisfræðinnar og hefur verið mörgum sinnum verið staðfest með tilraunum. Því hafa eðlisfræðingar lengi talið að svarthol hljóti að varðveita upplýsingarnar um það efni sem myndaði svartholið, jafnvel þótt nánast ógerlegt væri að afla þeirra upplýsinga í tilraunum. Frá tæknilegum sjónarhóli hverfa upplýsingar því aldrei.

Nokkrir sérfræðingar í almennu afstæðiskenningunni, eins og Hawking og Thorne, hafa haldið því fram að gífurlegur þyngdarkraftur svarthola myndi bókstaflega tortíma öllum upplýsingum úr efni. Í augum afstæðissinna fellur allt efni í svartholi að miðju þess, þar sem það myndar punkt með ekkert rúmmál en óendanlegan eðlismassa. Þessi staður í svartholi kallast sérstæða og þar, samkvæmt afstæðissinnum, eyðir ógurlegur þyngdarkrafturinn öllum upplýsingunum. Ytri mörk svartholsins, svokölluð sjónhvörf, er svæðið þaðan sem ekkert ljós sleppur. Samkvæmt Hawking, Thorne og fleiri góðum mönum er svæðið milli sérstæðunnar og sjónhvarfanna algjört tómarúm.

Eðlisfræðingar ósammála um hvernig skal leysa gátuna

Eðlisfræðingar hafa lengi reynt að ráða leysa upplýsingaþversögnina. Í fyrirlestri sínum í Dyflinni setti Hawking fram hugtakið „þvertími“, en í því felst að hinar þrjár þekktu víddir rúms (vinstri-hægri, upp-niður, áfram-afturábak) og ein vídd tímans eru samtvinnaðar í fjórar rúmvíddir, þar sem tíminn fellur inn í líkanið. Að sögn Hawkings varðveita svarthol upplýsingarnar sem falla í það í þessum þvertíma. Margir eðlisfræðingar telja þó að ekki sé hægt að leysa þversögnina á þennan hátt. „Við ættum að halda okkur við raunverulegan tíma en ekki þvertíma“, sagði eðlisfræðingurinn Samir Mathur prófessor við Ríkisháskólann í Ohio. „Hugtakið þvertími leiðir okkur af leið frá upphaflega vandamálinu.“

Fyrr á þessu ári notuðu Mathur og samstarfsfélagar hans strengjakenninguna til að sýna hvernig svarthol get í raun varðveitt upplýsingarnar. Í rannsóknum sínum gerðu þeir líkan af svartholum sem stóraum boltum úr flæktum þráðum - örsmáum grunnþráðum orku sem mynda allt efni og alla orku alheimsins. Í strengjakenningunni er alheimurinn sinfónía þar sem strengirnir í hljóðfærunum titra í tíu víddum. Hver nóta, þ.e. hvernig strengurinn titrar, ákvarðar hvort efnið er rafeind, kvarki, ljóseind eða einhver önnur ögn.

Útreikningar Mathur sýna að sérstæðan hverfur þegar svarthol eru felld inn í strengjakenninguna. Það er þægileg tilhugsun fyrir eðlisfræðinga með óbeit á óendanlegum skömmtum. Þar að auki hafa svarthol ekkert tómarúm; strengirnir eru ákaflega samþjappaðir en fylla út allt rúmið frá sérstæðunni út í sjónhvörfin. Og þar sem svarthol úr strengjum skortir fullkomna ytri brún hegðar það sér líkt og hver annar krumpaður efnisbolti. Á sama hátt og efni og orka geta sloppið frá afar þungum fyrirbærum líkt og nifteindastjörnu, geta þau líka losnað frá svartholi þrátt fyrir hinn gífurlega þyngdarkraft. „Þessi niðurstaða leysir upplýsingaþversögnina því svarthol geislar frá sér orku líkt og öll önnur fyrirbærui“, segir Mathur.

Í huga afstæðissinna eru tvö svarthol með sama massa og snúningshraða nákvæmlega eins. En í huga strengjafræðisinna eru hver tvö svarthol aldrei nákvæmlega eins vegna þess að þau myndast úr mismunandi efni. „Við finnum margar ólíkar tegundir af svartholum, mörg með ólíka innri byggingu,“ segir Mathur.

Mathur bendir á þessa útreikninga sem enn frekari staðfestingu þess að strengjafræðingar séu á réttri leið í að þróa skammtakenningu yfir þyngdarkraft - eina kenningu um allt sem sameinar skammtafræði og almennt afstæði, tvær meginstoðir eðlisfræði 20. aldar. Þótt ótrúlegt megi virðast spá bæði strengjafræðin og almennt afstæði nákvæmlega eins til um þvermál svarthola með mismunandi massa - jafnvel þótt útreikningarnir séu algjörlega sjálfstæðir. Þar að auki fellur útreiknuð geislun frá svartholi úr strengjum nákvæmlega við þá eiginleika sem skammtafræðin spáir fyrir um Hawking-geislunina.

„Strengjakenningin er svo ótrúleg að í hvert skipti sem vandamál kemur upp, gefur hún okkur alltaf rétta útkomu,“ sagði Mathur. Það er einmitt af þessari ástæðu að þeir sem aðhyllast hana eru vissir um að þeir séu á slóð dýpsta leyndarmáls náttúrunnar.
„Upplýsingaþversögnin í svartholum er mikilvæg“, sagði Mathur, „því ef við getum ekki leyst hana, er ekki hægt að sameina skammtafræði og almennu afstæðiskenninguna“.

Eðlisfræðingar gætu fljótlega kannað þessar hugmyndir í tilraunastofu. Í kringum 2007 mun LHC-hraðallinn (Large Hadron Collider) í Sviss skjóta nifteindum, róteindum og rafeindum á hver aðra með mjög mikilli orku. Sumir kenningasmiðir hafa lagt fram þá tilgátu að ef aukavíddirnar sem strengjafræðin spáir fyrir um eru allt að fáeinir millímetrar í þvermál, muni árekstrarnir mynda örsmá svarthol sem eyðast nærri því samtímis og við það ætti að rigna Hawking-geislun. Með því að greina agnirnar í Hawking-geisluninni gætu eðlisfræðingar ákvarðað grundvallareðli svarthola og hvort Hawking-geislun ber upplýsingar um efnið sem myndaði svartholið.

Margir eðlisfræðingar, Mathur þar á meðal, efast um að aukavíddirnar í strengjakenningunni séu nógu stórar til að gera svartholum kleift að myndast í LHC-hraðlinum. Ef svo er gætu liðið aldir þar til ljósi verður varpað á upplýsingaþversögnina.

Hægt er að lesa meira um stjörnufræði á Stjörnufræðivefnum <a href="http://www.stjornuskodun.is“ target=”_blank">www.stjornuskodun.is</a>.