Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής, το «παράδοξο της πληροφορίας των μαύρων τρυπών», ίσως βρήκε τελικά μια κομψή λύση, και η απάντηση θα μπορούσε επίσης να αποκαλύψει την προέλευση της μάζας των θεμελιωδών σωματιδίων.
Η ακτινοβολία Hawking και το τέλος των μαύρων τρυπών
Τη δεκαετία του 1970, ο Στίβεν Χόκινγκ (Stephen Hawking) απέδειξε, μέσω ημι-κλασικών υπολογισμών, ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι πραγματικά μαύρες, αλλά εκπέμπουν μια ασθενή ακτινοβολία που τις αναγκάζει να συρρικνώνονται σταδιακά μέχρι να εξαφανιστούν.
Αυτή η διαδικασία, ωστόσο, φέρνει μαζί της ένα τεράστιο πρόβλημα: Φαίνεται να προκαλεί μια μη αναστρέψιμη απώλεια πληροφορίας, παραβιάζοντας την αρχή της μοναδιατικότητας (unitarity) της κβαντικής μηχανικής. Με άλλα λόγια, οι νόμοι της κβαντικής φυσικής ορίζουν ότι η πληροφορία δεν μπορεί να καταστραφεί, αλλά η εξάτμιση μιας μαύρης τρύπας υποδηλώνει το αντίθετο.
Τώρα, μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό General Relativity and Gravitation, με επικεφαλής την ομάδα του Richard Pinčák, προτείνει μια καινοτόμο λύση που βασίζεται στην πολύπλοκη γεωμετρία ενός χώρου με επιπλέον διαστάσεις.
Η απωστική δύναμη που σταματά την εξάτμιση
Στην εργασία τους, οι ερευνητές διερευνούν τις φαινομενολογικές συνέπειες μιας θεωρίας βαρύτητας, γνωστής ως θεωρία Einstein-Cartan, η οποία διατυπώνεται σε 7 διαστάσεις πάνω σε μια συγκεκριμένη μαθηματική δομή που ονομάζεται «πολλαπλότητα G2 με στρέψη».
Σε αντίθεση με την καθιερωμένη Γενική Σχετικότητα, αυτή η θεωρία επιτρέπει στον χωροχρόνο όχι μόνο να καμπυλώνεται αλλά και να «συστρέφεται» (η λεγόμενη χωροχρονική στρέψη). Το βασικό αποτέλεσμα αυτού του μοντέλου είναι συναρπαστικό: σε ακραίες πυκνότητες, χαρακτηριστικές της κλίμακας Planck, αυτή η γεωμετρική στρέψη παράγει μια απωστική δύναμη.
Αυτή η δύναμη εξουδετερώνει τη βαρυτική κατάρρευση και σταματά δυναμικά το τελικό στάδιο της εξάτμισης Hawking. Ως αποτέλεσμα, η μαύρη τρύπα δεν εξαφανίζεται στο μηδέν, αλλά αφήνει πίσω της ένα σταθερό «υπόλειμμα» (remnant), του οποίου η προβλεπόμενη μάζα είναι περίπου 9 x 10⁻⁴¹ kg.
Ένας 7-διάστατος κοσμικός σκληρός δίσκος
Εάν η μαύρη τρύπα δεν εξαφανιστεί, τι συμβαίνει με την πληροφορία όλης της ύλης που έπεσε μέσα της; Οι ερευνητές προτείνουν ότι αυτό το σταθερό υπόλειμμα λειτουργεί ως ένα πραγματικό αρχείο μνήμης. Η δομή του υπολείμματος παρέχει έναν συγκεκριμένο μηχανισμό αποθήκευσης πληροφοριών μέσω του φάσματος των «οιονεί κανονικών τρόπων ταλάντωσής» του (quasi-normal modes).
Στην πράξη, η κβαντική πληροφορία κωδικοποιείται και παγιδεύεται μέσα στις μακρόβιες «δονήσεις» του πεδίου στρέψης, στο εσωτερικό της γεωμετρίας του υπολείμματος. Η ομάδα υπολόγισε ότι ένα υπόλειμμα που προέρχεται από μια μαύρη τρύπα με τη μάζα του ήλιου μας, θα μπορούσε να αποθηκεύσει την απίστευτη ποσότητα των περίπου 1,515 x 10⁷⁷ qubits πληροφορίας, ακριβώς όση χρειάζεται για να επιλυθεί το παράδοξο.
Με ένα σμπάρο δυο τρυγόνια: Η σύνδεση με το μποζόνιο Higgs
Αυτό που κάνει τη συγκεκριμένη μελέτη ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η βαθιά σύνδεσή της με τη σωματιδιακή φυσική. Οι ερευνητές καταδεικνύουν ότι η διάστατη μείωση (από τις 7 στις 4 διαστάσεις, τον αντιληπτό μας χωροχρόνο) αυτής της γεωμετρίας παρέχει μια φυσική προέλευση για την ηλεκτρασθενή κλίμακα (~246 GeV). Η κλίμακα αυτή είναι πασίγνωστη για τη συσχέτισή της με το πεδίο Higgs, το οποίο δίνει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια.
Σε αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, η αναμενόμενη τιμή κενού (VEV) που λαμβάνει το πεδίο στρέψης ταυτίζεται δυναμικά με την ηλεκτρασθενή κλίμακα (περίπου 246 GeV).
Ουσιαστικά, η ίδια ακριβώς γεωμετρική ιδιότητα που σώζει τις μαύρες τρύπες από την εξαφάνιση και διατηρεί την κβαντική πληροφορία, προσφέρει επίσης μια καθαρά γεωμετρική εξήγηση για το πρόβλημα της ιεραρχίας των μαζών στη σωματιδιακή φυσική.
Πέρα από τους επιταχυντές: Μια ελέγξιμη πραγματικότητα
Γιατί δεν έχουμε ακόμη αποδείξεις για αυτές τις επιπλέον διαστάσεις; Η απάντηση βρίσκεται στις συγκλονιστικές ενεργειακές κλίμακες που εμπλέκονται. Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι τα σωματίδια που σχετίζονται με αυτές τις διαστάσεις (διεγέρσεις Kaluza-Klein) έχουν μάζες περίπου 8,6 x 10¹⁵ GeV. Αυτό είναι επτά τάξεις μεγέθους πέρα από τις δυνατότητες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).
Ωστόσο, το να είναι «αόρατα» για τους επιταχυντές δεν σημαίνει ότι είναι και “μη ελέγξιμα”. Η θεωρία κάθε άλλο παρά απλή εικασία είναι, καθώς βασίζεται σε αυστηρές γεωμετρικές σχέσεις. Εάν το μοντέλο είναι σωστό, διατυπώνει συγκεκριμένες, διαψεύσιμες προβλέψεις που μπορούν να αναζητηθούν στα βάθη του σύμπαντος και όχι σε ένα εργαστήριο.
Πρώτον, τα σταθερά υπολείμματα μαύρων τρυπών (9 x 10⁻⁴¹ kg) που προβλέπονται από τη μελέτη, θα μπορούσαν να αποτελούν συστατικό της μυστηριώδους Σκοτεινής Ύλης. Η ανίχνευση του βαρυτικού αποτυπώματος αυτών των «κειμηλίων Planck» θα παρείχε άμεσες αποδείξεις για τη θεωρία.
Επιπλέον, η πληροφορία που είναι κωδικοποιημένη στις «δονήσεις» τους (οιονεί κανονικοί τρόποι ταλάντωσης), προσφέρει ένα συγκεκριμένο μαθηματικό πλαίσιο που διαφοροποιεί αυτό το μοντέλο από οποιοδήποτε άλλο.
Τέλος, οι εμπλεκόμενες ενεργειακές κλίμακες είναι χαρακτηριστικές του πολύ πρώιμου σύμπαντος, πράγμα που σημαίνει ότι τα «αποτυπώματα» αυτής της 7-διάστατης γεωμετρίας θα μπορούσαν να βρίσκονται κρυμμένα στην Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου ή στα πρωταρχικά βαρυτικά κύματα.
Γεφυρώνοντας το χάσμα ανάμεσα στις μικροσκοπικές κλίμακες των μαύρων τρυπών και την ευρύτητα του πεδίου Higgs, η έρευνα αυτή υποδηλώνει ότι το παράδοξο της πληροφορίας ίσως δεν απαιτεί να ξαναγράψουμε την κβαντική μηχανική.
Αντίθετα, μας καλεί να αποδεχτούμε μια βαθύτερη, 7-διάστατη κατανόηση του ίδιου του ιστού της πραγματικότητάς μας.