Crne rupe i dalje otvaraju neka od najtežih pitanja moderne fizike, osobito kada se njihova svojstva usporede s termodinamikom i kvantnom mehanikom. U pokušaju da se razriješi tzv. paradoks informacije, dio teorijskih fizičara razvio je ideje koje vode prema holografskom opisu svemira. U nekim inačicama tog pristupa pojavljuje se i mogućnost da bi se naš svemir mogao nalaziti unutar crne rupe u mnogo većem svemiru.
Crne rupe nastaju kolapsom masivnih zvijezda i predstavljaju područja prostora u kojima je gravitacija toliko snažna da ni svjetlost ne može pobjeći. Njihova svojstva, međutim, postaju posebno problematična kada se promatraju kroz okvir termodinamike. Konačno stanje crne rupe, kada dosegne ravnotežu, u potpunosti je određeno samo s tri parametra, njezinom masom, kutnim momentom i električnim nabojem.
Francuski astrofizičar Jean-Pierre Luminet u radu iz 2016. objašnjava da je u klasičnoj općoj teoriji relativnosti crna rupa sustav iz kojeg ništa ne može izaći. “U klasičnoj općoj teoriji relativnosti, crna rupa sprječava da bilo koja čestica ili bilo koji oblik zračenja pobjegne iz svojeg kozmičkog zatvora”, piše Luminet. “Za vanjskog promatrača, kada materijalno tijelo prijeđe horizont događaja, svako znanje o njegovim materijalnim svojstvima je izgubljeno. Ostaju samo nove vrijednosti M [masa], J [kutni moment] i Q [električni naboj]. Kao rezultat, crna rupa proguta golemu količinu informacija.”
Paradoks informacije i Hawkingovo zračenje
Ako crna rupa ima masu, tada bi prema prvom zakonu termodinamike trebala imati i temperaturu. Prema drugom zakonu termodinamike, sustav s temperaturom trebao bi zračiti toplinu. Stephen Hawking je pokazao da crne rupe doista trebaju emitirati zračenje koje danas nosi naziv Hawkingovo zračenje, a povezano je s procesima na granici crne rupe.
Luminet u istom osvrtu navodi da upravo tu nastaje paradoks. “Hawking je zatim ukazao na paradoks. Ako crna rupa može ispariti, dio informacija koje sadrži zauvijek je izgubljen”, piše Luminet. “Informacija sadržana u toplinskom zračenju koje emitira crna rupa degradirana je, ne vraća informaciju o tvari koju je crna rupa prethodno progutala. Nepovratni gubitak informacija u suprotnosti je s jednim od osnovnih postulata kvantne mehanike. Prema Schrödingerovoj jednadžbi, fizikalni sustavi koji se mijenjaju kroz vrijeme ne mogu stvarati ni uništavati informaciju, svojstvo poznato kao unitarost.”
Ovaj problem poznat je kao paradoks informacije crne rupe. Budući da izgleda kao da dovodi u pitanje temeljne pretpostavke aktualne fizike, postao je predmet intenzivnih rasprava i istraživanja.
Jedan od predloženih pristupa rješenju proizašao je iz promatranja termodinamike crnih rupa u kontekstu teorije struna. Gerard ’t Hooft pokazao je da se ukupan broj stupnjeva slobode unutar crne rupe ne skalira s njezinim volumenom, nego razmjerno površini njezina horizonta. Time se otvara put prema opisu entropije crne rupe preko površinskih veličina.
“Sa stajališta informacije, svaki bit u obliku 0 ili 1 odgovara četirima Planckovim površinama, što omogućuje dobivanje Bekenstein-Hawkingove formule za entropiju”, nastavlja Luminet. “Za vanjskog promatrača, informacija o entropiji crne rupe, koju je nekoć nosila trodimenzionalna struktura objekata koji su prešli horizont događaja, čini se izgubljenom. No u ovom pogledu, informacija je kodirana na dvodimenzionalnoj površini crne rupe, poput holograma. Stoga je, zaključio je ’t Hooft, informacija koju je crna rupa progutala mogla biti u potpunosti obnovljena tijekom procesa kvantnog isparavanja.”
Takav zaključak, u jednoj interpretaciji, ublažava problem jer sugerira da crne rupe ne bi morale kršiti drugi zakon termodinamike. Istodobno, vodi prema širem, znatno općenitijem konceptu: fizika trodimenzionalnog volumena mogla bi biti opisana na njegovoj dvodimenzionalnoj granici. U popularnoj formulaciji holografskog načela, stvarnost koju se doživljava kao 3D (plus vrijeme) može biti prikaz informacija kodiranih u 2D (plus vrijeme) na granici sustava.
Holografski svemir i hipoteza “svemira kao crne rupe”
U prostoru izvan crne rupe takav opis nije standardan. Ipak, postoje prijedlozi prema kojima bi sam svemir mogao biti opisan kao crna rupa, u smislu da se ključni procesi odvijaju na granici, a ono što se opaža pojavljuje se kao posljedica tih interakcija. U još ambicioznijoj varijanti iste ideje, dio znanstvenika sugerira da bi cijeli svemir mogao postojati unutar crne rupe koja pripada mnogo većem svemiru.
U pojedinim radovima i popularnim prikazima uz holografski opis vežu se i dodatne hipoteze. Navodi se, primjerice, mogućnost da gravitacija nastaje kao emergentna sila iz entropije isprepletenosti na granici sustava. Takve tvrdnje ostaju na razini teorijskih prijedloga, bez statusa općeprihvaćenog objašnjenja.
Autori koji razmatraju model “svemira kao crne rupe” ističu i jedan numerički uvjet. Da bi opis bio konzistentan, Hubbleov radijus, odnosno radijus opažljivog svemira, morao bi biti jednak Schwarzschildovu radijusu, to jest veličini crne rupe koja bi nastala kada bi se sva tvar unutar tog područja zgusnula u jednu točku. Te dvije vrijednosti doista su, prema navodima u ovakvim raspravama, iznenađujuće bliske, iako se to može tumačiti i kao kozmička podudarnost.
Spominju se i dodatni argumenti u obliku prikaza “svega” koji se u literaturi i popularnim sažecima koriste kao ilustracija mogućnosti da se opažljivi svemir uklopi u okvir crne rupe većeg sustava. No dok god takav pristup ne ponudi uvjerljive dokaze i predviđanja koja nadilaze ono što aktualna standardna fizika već uspješno opisuje, holografski scenariji i hipoteza o “svemiru unutar crne rupe” ostaju spekulativne interpretacije na rubu teorijske fizike.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
