De informatie paradox van het zwarte gat

Eén van de grondregels in de natuurkunde is dat informatie in het universum niet vernietigd kan worden. Je kunt het verleden reconstrueren uit een nu bestaand natuurkundig proces. Als je b.v. de massa (m), de snelheid en richting daarvan (v) van de planeet Mars meet op een bepaald tijdstip (t), dan kun je uitrekenen waar (s) deze planeet eerder was en wat toen de massa (m) en de snelheid (v) was. Ook de toekomst is zo bekend. We gaan er dan wel even voor het gemak vanuit dat dit een twee lichamenprobleem is (zon en mars).

Zwarte gaten verdampen

Echter sinds Stephen Hawking in de 70^er jaren van de 20^e eeuw voorstelde dat zwarte gaten kunnen verdampen, leek het alsof informatie wel kon verdwijnen in het universum. De informatie van een gas of hemelobject gaat naar binnen toe, maar komt er nooit meer uit in welke vorm dan ook. Tot nu toe werd altijd gedacht dat zwarte gaten hele eenvoudige hemelobjecten zijn. Een zwart gat heeft volgens John Archibald Wheeler (60^er jaren) slechts drie eigenschappen:

• Massa
• Spin
• Lading

Dat betekent wel dat alle materie (en dus informatie) die het zwarte gat opslokt, nooit meer aan het universum teruggegeven wordt. En daarmee is de zwarte gat informatie paradox geboren. Stephen Hawking gaf ons een oplossing, maar tegelijk ook weer een nieuw probleem.

Verdampt informatie mee?

Wetenschappers hebben tot nu toe geprobeerd deze paradox op te lossen door ergens een manier te verzinnen dat de informatie die in het zwarte gat is opgeslagen mee verdampt. Op die manier wordt de informatie weer teruggegeven aan het universum en verdwijnt dus niet. Dat is een extreem lastige theoretische klus, want het verdampen van zwarte gaten heeft alles te maken met de quantum-mechanische wetten en in dit geval heb je dan ook nog eens de zwaartekrachtwetten nodig, ofwel dit is het onderwerp Quantumzwaartekracht wat nog in de kinderschoenen staat. Zelfs de stringtheorie lost niet alle theoretische problemen op van de Quantumzwaartekracht. Het mag je dan ook niet verbazen dat de wetenschap nog met lege handen staat. Het leek erop dat de relativiteitsleer bij zwarte gaten niet goed toepasbaar waren, of juist de quantummechanica daar niet toepasbaar is als zodanig. Echter nu blijkt dat beiden overeind blijven.

Verstrengeld Quantumhaar

Er is nu een halve eeuw gezocht naar een theoretische oplossing. We weten nu dat het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat de informatie behoudt van de materie die in het zwarte gat viel. De materie gaat door de zogenaamde waarneemhorizon heen. Dat is zo als de materie het zwarte gat invalt, maar ook daarna. Dat wordt “quantum haar” genoemd. Eigenlijk is dit de 4^e eigenschap van een zwart gat:

• Massa
• Spin
• Lading
• Verstrengeld Quantumhaar

Dit “quantum haar”, en dus de oorspronkelijke informatie waar dat vandaan komt, blijft in het zwaartekrachtsveld zitten en is de oplossing van de paradox.

Volgens Roberto Casadio, professor van de Theoretical Physics van de Universiteit van Bologna geeft aan dat een zwart gat ontstaan is uit een ‘normaal’ maar compact hemelobject. Daarbij blijft de binnenkant en de buitenkant van een zwart gat met elkaar verbonden via de quantumtheorie van de entanglement / verstrengeling. Verstrengeling betekent dat een tweetal deeltjes die op grote afstand van elkaar zijn, toch elkaars lot delen. Er is met verstrengeling geen absolute scheiding mogelijk tussen binnen en buiten het zwarte gat. Dit volgt uit de wetten van de quantummechanica. In de klassieke theorie is de waarneemhorizon een membraam die de binnenkant en de buitenkant van een zwart gat scheiden. Maar bij de quantummechanica blijft de binnen – en de buitenkant met elkaar verbonden vanwege de eigenschap van de verstrengeling. Als er buiten wat gebeurt, dan heeft dat gevolgen voor wat er binnen aan de hand is, en andersom.

Er zijn berekeningen uitgevoerd van de verstrengelingsentropie. Dit is de hoeveelheid informatie die zich in de verstrengelde Hawkingstraling bevindt. Deze neemt altijd toe totdat het zwarte gat verdampt is volgens Hawking. Maar nu is berekend dat zwarte gaten weldegelijk informatie vergeven. Daarmee groeit de verstrengde entropie om ergens halverwege het verdampen weer af te nemen tot het uiteindelijk weer een verstrengelde entropie van nul wordt, ofwel alle informatie in het zwarte gat is weer ontsnapt in het universum. De theoretische informatieparadox is hiermee opgelost.

Quantumoppervlak onder de waarneemhorizon

Dit alles is alleen mogelijk als er net onder de waarneemhorizon, waar het zwarte gat uiteindelijk weer verdampt, nog een quantum oppervlak bestaat. Dit oppervlak regelt het verlaten van de informatie uit het zwarte gat. Halverwege het verdampen wordt dit oppervlak steeds belangrijker.

Daarnaast zijn er ook een grote hoeveelheid wormgaten nodig die het quantumoppervlak verbindt met de waarneemhorizon. Alleen dan kan de informatie door de waarneemhorizon heen komen. (Dit zijn niet de wormgaten die al zo lang bekend zijn, waarmee je een tweetal delen van het universum met een shortcut zou moeten kunnen verbinden).

Ook nu wordt het stokje weer doorgegeven. De paradox mag dan nu een theoretisch antwoord hebben met de nodige vraagtekens, maar dat wil niet zeggen dat het geheel onbekend is welk mechanisme nu ervoor zorgt dat de binnenkant weer buiten komt. Het blijft onontbeerlijk dat de quantum zwaartekracht uit de kinderschoenen komt die de verstrengelde Hawking informatie meer handen en voeten moet gaan geven.

Robert de Jong