Paradoxul informației găurilor negre reprezintă o problemă fundamentală în fizica modernă, care a stârnit controverse și discuții intense de-a lungul mai multor decenii. Cercetări recente sugerează că o posibilă soluție ar putea veni dintr-o caracteristică fundamentală a fizicii cuantice: corelațiile dintre particule și structura spațiului și a timpului, care ar putea să elimine această dilemă, lăsând urme în undele gravitaționale.

Paradoxul informației găurilor negre

Găurile negre sunt un mare mister al fizicii moderne, chiar și din punct de vedere al informației și nu doar al formei de materie care se găsește în interiorul lor. Conform principiului conservării informației, nu se poate crea sau distruge informație. Când obiectele cad într-o gaură neagră, informația pe care o conțin devine inaccesibilă pentru observatorii din exterior, dar nu dispare, se pare, complet; este doar „ascunsă” din punctul nostru de vedere. Se conservă însă această informație? Acest subiect a stârnit discuții și dezbateri de-a lungul anilor.

Totul s-a schimbat atunci când Stephen Hawking a descoperit că găurile negre nu sunt chiar atât de negre pe cât păreau. Acestea contribuie la emisia unei radiații, care își extrage energia din gaura neagră (cunoscută sub numele de radiația Hawking) și, în final, găurile negre dispar, evaporându-se din Univers (atunci când radiația nu este compensată de materia care este „înghițită” de gaura neagră). Problema este că această radiație nu pare să transporte niciun fel de informație, ceea ce a dat naștere unui paradox celebru: atunci când o gaură neagră moare, unde se duce toată informația pe care o conține?

Nonlocalitatea cuantică non-violentă ca posibilă soluție

O posibilă soluție la acest paradox este ceea ce cercetătorii numesc „nonlocalitatea non-violentă”. Această nonlocalitate se bazează pe o formă extinsă de „entanglement” cuantic, un fenomen ce permite particulelor să fie „legate” între ele, chiar și atunci când sunt foarte departe unele de altele, una într-o galaxie și cealaltă într-o altă galaxie, de exemplu. În această viziune nu doar particulele sunt corelate (entangled), ci și spațiu-timpul însuși. Dacă aplicăm această idee la găurile negre, înseamnă că ceea ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre este corelat cu structura spațiu-timpului din jurul său. Spațiu-timpul este modificat în urma unor procese violente, cum ar fi fuziunea găurilor negre sau exploziile stelare. Însă, această formă de „corelație cuantică” este mult mai subtilă și ar lăsa o amprentă ușor detectabilă în structura spațiu-timpului din jurul orizontului evenimentului, acolo unde nimic nu poate scăpa, nu chiar măcar lumina.

Semnătura cuantică a găurilor negre în undele gravitaționale

Într-un articol recent publicat pe serverul de preprint arXiv, un grup de cercetători de la Caltech a investigat această ipoteză fascinantă, încercând să exploreze modul în care am putea testa această teorie. În cadrul studiului pe care l-au efectuat, cercetătorii au descoperit că aceste corelații subtile în structura spațiu-timpului ar lăsa o amprentă și în undele gravitaționale generate atunci când două găuri negre se ciocnesc și se unesc.

Aceste semnături ar fi extrem de mici – atât de mici încât nu avem încă tehnologia necesară pentru a le detecta cu antenele actuale de unde gravitaționale. Totuși, aceste semnături au o structură specifică, ceea ce le-ar face potențial observabile în viitor.

În următoarii ani noile generații de detectoare de unde gravitaționale, mult mai sensibile, ar putea fi capabile să detecteze aceste semnale. Dacă acest lucru se va întâmpla, ar fi o realizare extraordinară, care ar putea rezolva în cele din urmă paradoxul informației găurilor negre și ar deschide noi direcții spre înțelegerea structurii spațiu-timpului și a naturii nonlocalității cuantice.

Implicațiile pentru fizica cuantică și gravitația

Rezolvarea paradoxului informației găurilor negre ar avea implicații majore pentru teoria găurilor negre, dar și pentru înțelegerea noastră a teoriei gravitației cuantice. În mod tradițional, gravitația a fost considerată separată de celelalte interacțiuni fundamentale (deoarece nu reușim să formulăm o teorie cuantică a gravitației), dar descoperirile recente sugerează că, în realitate, gravitația ar putea fi legată de proprietăți fundamentale ale spațiu-timpului și ale particulelor cuantice, în moduri pe care încă nu le-am înțeles pe deplin.

Descoperirea unor semnături în undele gravitaționale ar putea oferi o nouă cale de investigare a gravitației cuantice și ar putea oferi indicii importante pentru construirea unei teorii cuantice a gravitației, care să îmbine teoria relativității generale a lui Einstein cu mecanica cuantică.

Viitorul cercetării

În următorii ani, progresul în tehnologia detectoarelor de unde gravitaționale, precum și în studiile teoretice ale comportamentului găurilor negre, ar putea aduce soluții importante pentru unele dintre cele mai profunde întrebări ale fizicii fundamentale. Deși nu avem încă răspunsuri complete, cercetările actuale sugerează că, într-o zi, vom putea înțelege unde se duce informația atunci când o gaură neagră moare și cum spațiu-timpul însuși este legat de natura cuantică a Universului.

Așadar, paradoxul informației găurilor negre, care a fost mult timp o enigmă, ar putea fi pe cale să fie descifrat – nu doar prin soluții teoretice, ci și prin observațiile experimentale care ar putea să ne îndrume spre o nouă fizică.

Detalii: https://arxiv.org/abs/2411.13714

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro