Rozmowa z prof. Włodzimierzem Kluźniakiem, astrofizykiem z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. W [...] "Physical Review Letters" ukazała się praca, w której prof. Kluźniak, Marek Abramowicz i Jean-Pierre Lasota podważają istnienie "ścian ognia" (firewalls) wokół czarnych dziur. Te kosmiczne twory pobudzają wyobraźnię naukowców, są wylęgarnią paradoksów, których rozwiązanie może doprowadzić do rewolucji w fizyce.
PIOTR CIEŚLIŃSKI: Czy może tak być, że nasz Wszechświat znajduje się we wnętrzu czarnej dziury?
PROF. WŁODZIMIERZ KLUŹNIAK: Jeśli jest to wirująca czarna dziura, tzw. dziura Kerra, to można sobie wewnątrz niej wyobrazić życie. Choć to raczej nie byłby nasz świat.
Dlaczego?
- Bo, po pierwsze, każda czarna dziura zawiera osobliwość, miejsce o nieskończonej gęstości materii i temperaturze, a my żadnego śladu osobliwości nie widzimy. Po drugie, nasz Wszechświat jako całość raczej się nie obraca, nie widać żadnej osi obrotu. W czarnej dziurze, która nie wiruje, wszystkie trajektorie swobodne - takie jak np. orbita Ziemi wokół Słońca - kończą się, i to dość szybko, w osobliwości. A nasz Wszechświat istnieje już dosyć długo, a do osobliwości nie wpadliśmy i na to się nie zanosi, więc myślę, że jednak nie żyjemy wewnątrz czarnej dziury.
Poza tym niedawno Stephen Hawking powiedział, że czarnych dziur nie ma.
- On miał na myśli to, że czarne dziury nie istnieją w takiej matematycznej postaci, jak to sobie wyobrażaliśmy. Jego zdaniem obszar zamknięty pod horyzontem czarnej dziury może się skomunikować z naszym światem.
Ale przecież jak coś tam wpadnie, to na zawsze. Nic, nawet światło nie może się wydostać spoza horyzontu czarnej dziury. Dlatego jest czarna.
- Jeśli Hawking ma rację, to nie jest absolutnie czarna. Jej horyzont nie jest dany na zawsze.
Co to znaczy?
- Zależy, jak to rozumieć. W jednej interpretacji horyzont się nie tworzy, w innej - po pewnym czasie znika. Praca Hawkinga jest bardzo krótka i nie zawiera żadnych równań, nie wiem, na ile jest oparta na jego domysłach, a na ile na ścisłym rachunku.
W każdym razie on twierdzi, że gdy patrzymy na czarną dziurę z zewnątrz, to ona przypomina klasyczną czarną dziurę, taką jak w rozwiązaniu Kerra [Roy Kerr to nowozelandzki fizyk, który w 1963 r. znalazł rozwiązanie równania Einsteina opisujące wirujące czarne dziury]. Na pozór więc mamy przed sobą zwykłą czarną dziurę - jedna z nich tkwi zapewne w centrum naszej Galaktyki.
Ale pod horyzontem czasoprzestrzeń już nie jest taka, jak przewiduje ścisłe rozwiązanie równań Einsteina, mamy tam do czynienia z jakimś procesem chaotycznym. Jeśli dobrze rozumiem Hawkinga, on twierdzi, że czarna dziura nigdy się w pełni nie uformuje, a w przyszłości jej horyzont w ogóle zniknie. W ten sposób informacja, która jest zamknięta pod horyzontem, może się kiedyś wydostać, co by rozwiązywało znany od lat paradoks.
Jaka informacja i jaki paradoks?
- Informacja o tym, z czego powstała czarna dziura i co do niej wpadło. Według mechaniki kwantowej taka informacja nie może nigdy zniknąć.
Hawking jednak przez długi czas tym się nie przejmował. Uważał, że czarne dziury niszczą informację, niejako drwią sobie z mechaniki kwantowej, nawet założył się o to ze znanym fizykiem Johnem Preskillem.
Wkrótce jednak ukazało się kilka prac, a zwłaszcza bardzo matematyczna praca Juana Maldaceny, oparta na głębokiej znajomości najnowszej fizyki, które przekonały świat fizyków, a także samego Hawkinga, że Wszechświat da się opisać za pomocą czystego stanu kwantowego. A jego ewolucja podlega prawom kwantowym, a więc cokolwiek się dzieje z informacją, to nie może ona ginąć. Jeżeli wpadła pod horyzont czarnej dziury, to musi się później wydostać.
Jeszcze 20 lat temu wydawało się, że ten problem został rozwiązany. Leonard Susskind ze współpracownikami zasugerował w 1993 r., że informacja o tym, co pochłonęła czarna dziura, wydobywa się wraz z promieniowaniem Hawkinga.
A więc coś się jednak wydostaje z czarnej dziury?
- Ściśle rzecz biorąc, promieniowanie Hawkinga pochodzi z bliskiego otoczenia czarnej dziury. Próżnia w rozumieniu współczesnej fizyki nie jest pusta. Jest morzem wirtualnych par cząstka - antycząstka, które wyłaniają się z niebytu na bardzo małą chwilę, po czym anihilują i znikają.
Hawking na początku lat 70. zeszłego wieku wymyślił, że gdy taka para pojawi się blisko horyzontu czarnej dziury, to jedna z cząstek może wpaść do jej wnętrza. Wtedy osierocona cząstka z pary nie ma już z czym anihilować i nie znika. Pojawia się jako już rzeczywista, a nie wirtualna cząstka, ma energię, którą zyskuje kosztem czarnej dziury. Ponieważ takie procesy zachodzą stale, z okolic horyzontu czarnej dziury emitowany jest strumień cząstek zwany promieniowaniem Hawkinga, a czarna dziura stopniowo traci energię i ulega odchudzeniu. W końcu - jak przewidywał Hawking - powinna całkowicie zniknąć.
Tak naprawdę to z tego się bierze paradoks informacyjny. Gdyby bowiem czarna dziura nie emitowała promieniowania i nie znikała, to informacja mogłaby sobie w niej tkwić do końca świata. Po prostu nie mielibyśmy do niej dostępu, byłaby złożona w wiecznym sejfie, do którego nie możemy zajrzeć. Problem pojawia się wtedy, gdy czarna dziura znika, a wraz z nią informacja o jej zawartości. Mechanika kwantowa na to nie pozwala.
Susskind wyliczył, że informacja może uciekać jakoś zakodowana w promieniowaniu Hawkinga, to wysłane we wczesnych etapach rozwoju czarnej dziury byłoby "splątane" z promieniowaniem wysyłanym w końcowych etapach jej rozwoju. Takie "splątanie kwantowe" różnych stanów jest faktem - efekty związane z jego pojawianiem się mierzone są dziś w laboratoriach.
Czyli z promieniowania Hawkinga można odczytać, co znajduje się w czarnej dziurze?
- To nie jest jasne. Informacja może być zakodowana w sposób trudny do odszyfrowania. Ale dla fizyków jest ważne, że co do zasady informacja nie ginie, tylko jakoś uwalnia się z kurczącej się czarnej dziury.
To problem mamy rozwiązany.
- Tak myślano. Aż w zeszłym roku ukazała się praca zespołu Josepha Polchinskiego, gdzie pokazano, że ten sposób poradzenia sobie z paradoksem rodzi nowy paradoks. Bo żeby w kwantach promieniowania Hawkinga zakodować informację, trzeba je splątać. Najpierw jednak musi być rozerwane ich wcześniejsze splątanie, a taki proces dezorganizacji wyzwala entropię, czyli ciepło. To byłaby niewiarygodnie potężna energia, wyzwolona bardzo blisko horyzontu.
Jednym słowem, jeśli informacja miałaby się wydobywać w ten sposób, jak to wymyślił Susskind - w postaci promieniowania Hawkinga - to wokół czarnej dziury powstałaby potężna zapora ogniowa.
Czarna dziura świeciłaby oślepiającym białym płomieniem?
- Nie jest dla mnie jasne, czy ogień byłby na zewnątrz, czy wewnątrz horyzontu. Jedno jest pewne - to by zupełnie zmieniało klasyczny obraz czarnych dziur. Byłoby to sprzeczne z podstawą teorii grawitacji, tzw. zasadą równoważności.
We wszystkich popularnych opracowaniach można przeczytać, że wpadający do czarnej dziury astronauta nie zauważy i nie poczuje niczego szczególnego, gdy będzie przekraczać horyzont. Z teorii Einsteina wynika, że nic go nie ostrzeże, że wkracza do obszaru bez powrotu. Jeśli zaś istnieją ściany ognia, to nie tylko to zauważy, ale i mocno poczuje - momentalnie spopieli go potężny żar.
Jak rozumiem, w pracy, która ma być wydrukowana w przyszłą sobotę w "Physical Review Letters", której autorem jest pan oraz prof. Marek Abramowicz i Jean-Pierre Lasota, podważacie istnienie ścian ognia?
- Taka zapora ogniowa ma ogromną energię, która - zgodnie z wzorem Einsteina - jest równoważna pewnej masie. Policzyliśmy więc, jaki jest grawitacyjny wpływ tej energii na otoczenie. Po dość prostych rachunkach, które są całkowicie niekontrowersyjne, pokazaliśmy, że gęsta ściana ognia jest możliwa tylko dla mikroskopowych czarnych dziur. A jeśli takie ogniowe powłoki istnieją w prawdziwych kosmicznych dziurach, to ich gęstość musi być bardzo niewielka.
Co z tego wynika?
- Zapory ogniowe nie są możliwe, czyli to nie jest dobry sposób na rozwiązanie paradoksu związanego ze znikaniem informacji w czarnych dziurach. Teoretycy muszą więc szukać dalej.
Może więc to Hawking ma rację, mówiąc, że czarne dziury nie są w pełni takie, jak to wynika z teorii Einsteina?
- To nie byłoby zaskakujące. Paradoksy najpewniej biorą się stąd, że usiłujemy opisać realne czarne dziury za pomocą teorii, o której wiemy, że jest w pewnym sensie niepoprawna, przybliżona. Nie znamy w tej chwili kwantowej teorii grawitacji [patrz niżej], teoria Einsteina nie jest teorią kwantową.
KWANTOWA TEORIA GRAWITACJI
Kwanty po raz pierwszy pojawiły się na forum publicznym 14 grudnia 1900 r. na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego. Max Planck, profesor Uniwersytetu w Berlinie, wyjaśniał wtedy kolegom, w jaki sposób świecą rozgrzane ciała. Ten z pozoru banalny problem spędzał sen z oczu ówczesnym fizykom - wyliczenia prowadziły do katastrofy, bo wynikało z nich, że wypromieniowana energia jest nieskończona. W akcie rozpaczy Planck przyjął, że energia światła jest pochłaniana i emitowana w maleńkich porcjach, które nazwał kwantami. Taki - jak uważał - matematyczny trik pozwolił na uzyskanie poprawnego wzoru. Nie miał jeszcze pojęcia, że jest autorem największego wydarzenia w fizyce od czasów Newtona. Kilka lat potem Albert Einstein wyśledził kwanty w innym niewyjaśnionym zjawisku (fotoelektrycznym), a Niels Bohr znalazł je w atomach. W ten sposób narodziła się mechanika kwantowa, która - jak do dziś sądzimy - jest podstawą do zrozumienia wszystkich zjawisk tego świata. Z jednym wyjątkiem - w języku kwantów nie udało się dotąd sformułować teorii grawitacji. Nadal używamy więc równań Einsteina (ogólnej teorii względności), w których nie ma śladu po kwantach. Próby uzgodnienia Einsteina z kwantami i stworzenia kwantowej teorii grawitacji na razie się nie powiodły.
I myślę, że Hawking to właśnie sugeruje - że w prawdziwej teorii grawitacji, która bez wątpienia będzie musiała uwzględniać prawa mechaniki kwantowej, horyzont czarnej dziury istnieje tylko przez pewien czas, a potem się otwiera.
Ale niektórzy proponują też inne wyjaśnienia. Może gdy poznamy ostateczną teorię, to okaże się, że nie ma promieniowania Hawkinga, a więc czarne dziury wcale nie znikają? Albo że czarna dziura nie znika bez śladu - pozostawia po sobie coś, co zawiera utraconą informację.
Czy to nie przypomina sytuacji z końca XIX w., gdy fizykom wydawało się, że już wszystko wyjaśnili i tylko kilka małych chmurek jest na horyzoncie, np. kwestia promieniowania ciała doskonale czarnego? Te chmurki potem zmieniły się w burzę, która zatrzęsła całym gmachem fizyki.
- To trafna uwaga. Mechanika kwantowa opisuje cały świat, więc powinna opisywać też grawitację i czarne dziury. Ale z tym jest problem, a jego oznaką jest właśnie paradoks informacyjny, który Hawking odkrył w 1976 r., jak i późniejsze bezskuteczne próby jego rozwiązania. Wydaje się, że gmach fizyki zaczyna się rysować.
