Het internet en de fysicawereld zijn in rep en roer: Stephen Hawking zou het bestaan van zwarte gaten ontkend hebben en met een radicaal alternatief op de proppen zijn gekomen. Maar is dat ook echt zo? Of zijn de koppen die beweren dat Hawking vindt dat zwarte gaten niet bestaan toch een beetje voorbarig? Deze minicursus zwarte-gaten-fysica geeft het antwoord, ook als je nu voor het eerst van deze discussie hoort.
Wat zegt Hawking nu eigenlijk over zwarte gaten?
Hawking heeft een kort artikel gepubliceerd op de wetenschappelijke voorpublicatiesite arxiv, waarin hij de huidige ideeën over zwarte gaten aanscherpt. Meer specifiek stelt hij dat één van de kenmerkende eigenschappen van een zwart gat, de zogeheten waarnemingshorizon, wellicht niet bestaat.
Wat zijn zwarte gaten ook alweer?
Volgens de theoretische fysica waren zwarte gaten ooit gewone delen van de ruimte – of eigenlijk: de ruimtetijd, zoals de vierdimensionale variant van de ruimte in de relativiteitstheorie van Einstein heet. Die gebieden hebben echter zo’n gigantische dichtheid gekregen dat hun enorme zwaartekracht een waarnemingshorizon genereert. Die waarnemingshorizon geeft de grens aan vanaf waar uit een zwart gat niets meer kan ontsnappen – zelfs het licht niet. In 1974 voegde Hawking aan dat plaatje van zwarte gaten voor het eerst ook de quantummechanica toe – iets dat leidde tot een discussie over de aard van zwarte gaten die tot op de dag van vandaag nog niet uitgeraasd is.
Waarom leidde het toevoegen van de quantummechanica tot een discussie?
Dat komt omdat de quantummechanica niet goed overweg kan met die andere belangrijke natuurkundetheorie: de algemene relativiteitstheorie van Einstein. In het geval van zwarte gaten zijn beide theorieën relevant, iets dat een beschrijving van het verschijnsel met behulp van deze theorieën heel erg lastig maakt. Toen Hawking de quantumfysica op zwarte gaten toepaste, kwam hij erachter dat ze niet helemaal ‘zwart’ zijn. In plaats daarvan stralen zwarte gaten een beetje. Die straling is in fysicajargon ‘hawkingstraling’ gaan heten. Die straling zorgt ervoor dat zwarte gaten met de tijd langzaam zullen krimpen en verdampen.
Okay, dus zwarte gaten zijn niet onsterfelijk. Is dat erg?
Het bestaan van hawkingstraling impliceert ook dat wanneer een zwart gat sterft, het alle informatie in dat zwarte gat met zich meeneemt. Dat is in de quantummechanica echter absoluut onacceptabel. Die theorie stelt dat informatie over materie nooit verloren gaat, zelfs niet wanneer die materie een zwart gat in valt. Sommige theoretici probeerden die zogeheten ‘informatieparadox’ op te lossen door toe te staan dat informatie uit zwarte gaten kan ontsnappen terwijl dat gat aan het verdampen is. Hawking was het daar niet mee eens – tot hij dertig jaar later zelf aantoonde dat dit mogelijk moest zijn en daardoor een zeven jaar oude weddenschap met een collega natuurkundige verloor.
Dus nu is iedereen het eens over zwarte gaten?
Niet echt. De afgelopen anderhalf jaar is de fysicawereld in rep en roer over een nakomeling van de informatieparadox: de zogeheten firewall-paradox. Een groep fysici onder leiding van Joseph Polchinski van de University of California hebben gesuggereerd dat de informatie die een zwart gat verlaat zulke enorme hoeveelheden energie opwekt dat er letterlijk een muur van vuur om de waarnemingshorizon van een zwart gat moet ontstaan. Die vuurmuur zou alles consumeren dat in het zwarte gat valt. Dat breekt echter weer een regel van de algemene relativiteitstheorie die stelt dat bij het oversteken van de grens van de waarnemingshorizon van een zwart gat niets gebeurt – vandaar de paradox.
Kortom: het gaat weer eens om een botsing tussen de quantumfysica en de algemene relativiteitstheorie?
Inderdaad. De Firewall-paradox zorgt ervoor dat één van de twee theorieën het bij het verkeerde eind moet hebben. Daarom zijn fysici al een tijd bezig om een compromis te zoeken dat deze problemen weet op te lossen. Nu is Hawking zich dus met die discussie gaan bemoeien. Zijn oplossing is om het begrip te schrappen dat zwarte gaten nu juist zo tot de verbeelding doet spreken: de waarnemingshorizon.
Wacht eens even… betekent dat dat je dus wél uit een zwart gat zou kunnen ontsnappen?
Bingo. Althans: in theorie. In de praktijk zou je vermoedelijk wel met de lichtsnelheid moeten reizen om dat voor elkaar te krijgen. ‘Het gebrek aan een waarnemingshorizon betekent dat er geen zwarte gaten bestaan – in de zin van gebieden waaruit geen licht kan ontsnappen’, schrijft Hawking in zijn artikel – de bron voor de conclusie van veel media dat Hawking het idee van zwarte gaten volledig overboord heeft gegooid. Dat is echter niet zo, want in hetzelfde artikel stelt Hawking voor de waarnemingshorizon te vervangen door een ‘schijnbare horizon’ – een oppervlak dat licht weet te vangen maar dat dankzij quantumfluctuaties ook zo van vorm kan vervanderen dat het in theorie mogelijk is dat licht weer aan de horizon ontsnapt.
Zijn die twee horizonnen nu echt zo verschillend?
Dat is nog onduidelijk. Het idee van een schijnbare horizon is niet helemaal nieuw. Hawking en zijn collega Roger Penrose van de University of Oxford, hebben al eerder de algemene relativiteitstheorie gebruikt om aan te tonen dat de twee horizonnen eigenlijk hetzelfde zijn. In zijn meest recente artikel stelt Hawking nu echter voor dat de quantummechanica ervoor zorgt dat beide horizonnen toch verschillend zijn.
Ah, dus dat is dan het nieuwe van zijn artikel?
Niet helemaal. De belangrijkste bijdrage van zijn artikel is een poging om deze ideeën te gebruiken om de Firewall-paradox op te lossen. Door de waarnemingshorizon uit het plaatje te verwijderen, zal ook de vuurmuur verdwijnen. Dat zou normaal gesproken betekenen dat quantuminformatie verloren gaat, maar volgens Hawking hoeft dat niet het geval te zijn. Hij stelt voor dat de structuur van een zwart gat net onder de horizon chaotisch is. Dat maakt het moeilijk om te begrijpen hoe de informatie in het zwarte gat vrijkomt. Met andere woorden: de informatie gaat alleen verloren in de zin van dat het heel erg moeilijk wordt om te interpreteren, maar het wordt niet echt vernietigd. ‘Het zal wat lijken op het voorspellen van het weer op aarde’, schrijft hij. ‘Je kunt het weer niet meer dan een paar dagen vooruit voorspellen.’
Heeft hij gelijk? Heeft Hawking de paradox nu opgelost?
Het artikel van Hawking is heel kort – slechts twee pagina’s zonder berekeningen. Dat maakt het moeilijk om sterke conclusies te trekken. Toch is er al wel de nodige skepsis. ‘Het is niet duidelijk wat hij verwacht dat een waarnemer zal zien die het zwarte gat invalt’, zegt Polchinski. ‘Het klinkt bijna alsof hij de firewall vervangt door een chaos-wall, wat uiteindelijk op hetzelfde zou kunnen neerkomen.’ Samuel Braunstein van de University of York, die geen vreemde is in het firewall-debat, is nog niet overtuigd. ‘Ik zie geen bewijs dat echt laat zien dat het ding waar hij over praat geen firewall heeft’, zegt hij.
Maakt het uit of Hawking gelijk heeft?
Als zwarte gaten er inderdaad zo uit zien als hij beschrijft, kan dat leiden tot een beter begrip van de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie. ‘We zouden nieuwe fysica kunnen leren kennen, die mogelijk grote gevolgen kan hebben voor de niet-triviale structuur van het universum’, zegt Braunstein. Maar hij voegt daar ook aan toe dat het net zo goed zou kunnen dat dat niet gebeurt.