Volgens de wetten van de quantummechanica kan informatie over wat in een zwart gat is gevallen niet worden vernietigd. Nu beweren onderzoekers dat ze hebben uitgevonden hoe die informatie dan wordt bewaard.

Zwarte gaten hebben een informatieprobleem. Volgens de wetten van de quantummechanica kan informatie over de toestand van een gesloten systeem niet worden vernietigd, maar zwarte gaten lijken die informatie toch uit te wissen. Onderzoekers proberen dit probleem, de zwarte-gaten-informatieparadox, al tientallen jaren op te lossen. Nu stelt een team onderzoekers in het vakblad Physics Letters B dat dat eindelijk is gelukt.

De informatieparadox van het zwarte gat ontstond in de jaren 1970, toen Stephen Hawking berekende dat zwarte gaten langzaam verdampen door het uitzenden van willekeurige deeltjes: Hawkingstraling. 

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Quantummechanica

Dit suggereert dat de informatie die de materie bevat die in een zwart gat valt, verdwijnt als het zwarte gat uiteindelijk tot niets zou krimpen en verdampen. Het probleem is dat de wetten van de quantummechanica vereisen dat, als je de toestand van een gesloten systeem op een bepaald moment kent, je in staat moet zijn om de toestand ervan vooruit of achteruit in de tijd te berekenen. Als Hawkingstraling inderdaad willekeurig is, wordt dat echter onmogelijk.

Theoretisch natuurkundige Xavier Calmet van de Universiteit van Sussex in het Verenigd Koninkrijk en zijn collega’s beweren nu dat zij het probleem hebben opgelost met hulp van quantumveldentheorie. ‘We hebben de berekening die Hawking in de jaren zeventig deed opnieuw uitgevoerd. Maar we hebben rekening gehouden met quantumzwaartekracht’, zegt Calmet, ‘De informatieparadox van het zwarte gat is nu opgelost, en we begrijpen de natuurkunde erachter.’

Verdampende zwarte gaten

In eerder werk pasten de onderzoekers quantummechanische correcties toe op berekeningen van sterren die ineenstorten tot zwarte gaten. Daarbij ontdekten ze dat de zwaartekrachtvelden van die zwarte gaten informatie bevatten over wat erin gevallen was. Nu zeggen ze dat ze hebben uitgezocht wat er met die informatie gebeurt als het zwarte gat uiteindelijk verdampt.

Dit probleem is moeilijk op te lossen vanwege de manier waarop de informatie naar buiten komt. ‘Stel je voor dat je informatie bestaat uit Lego-blokjes. Je hebt je een zwart gat van Lego, en dan komen er in de loop van de leeftijd van het heelal één voor één Lego-blokjes uit’, zegt theoretisch natuurkundige Neil Lambert van King’s College London. Je stopt er een enorme hoeveelheid informatie in, zegt hij, en die komt er dan zó langzaam en in zulke kleine stukjes weer uit, dat je heel diep in de theorie moet duiken om uit te zoeken hoe de informatie die erin is gevallen, verband houdt met wat eruit komt.

Calmet en zijn team berekenden dat het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat het energiespectrum van de Hawkingstraling een klein beetje zou moeten veranderen. ‘Het is een miniem effect, maar het betekent wel dat het Hawkingstralings-spectrum informatie bevat’, zegt hij. Traditioneel wordt juist gedacht dat Hawkingstraling willekeurig is. Iedere vorm van orde in het spectrum kan ervoor zorgen dat informatie uit het verdampende zwarte gat lekt.

Ironisch informatietekort

Maar andere onderzoekers zijn nog niet overtuigd. ’Dit lost het probleem niet op’, zegt quantumzwaartekracht-onderzoeker Daniel Harlow van het Massachusetts Institute of Technology. Zijn bezwaren komen erop neer dat de theorie – ironisch genoeg – niet genoeg informatie bevat over hoe de informatie precies bewaard blijft, vooral wanneer het zwarte gat volledig verdampt. ‘Ik denk niet dat het enige tractie heeft gekregen in de gemeenschap, want het is gewoon niet precies genoeg’, zegt Lambert.

‘Om het informatieprobleem van het zwarte gat op te lossen, is een grote verandering nodig in ons begrip van hoe ruimte en tijd ontstaan uit de theorie van de quantumzwaartekracht – ik denk niet dat je dat voor elkaar krijgt door alleen de standaardwetten van de natuurkunde en de quantumveldentheorie te gebruiken’, zegt Harlow.

Het toetsen van de theorie is sowieso moeilijk, omdat Hawkingstraling zo’n minuscuul effect is. ‘In de praktijk is het eerlijk gezegd niet meetbaar – we hebben nog nooit Hawkingstraling van een echt zwart gat gezien’, zegt Calmet. ‘Hawkingstraling zal volgens mij in de astrofysica nooit worden gemeten, maar er zijn manieren om analoga van zwarte gaten te bouwen, een soort model-versies, waarmee je Hawkingstraling kunt modelleren’. Misschien bieden deze modellen uitkomst.