Informaatio säilyy sittenkin

Julkaistu: 07.04.2015 / Markus Hotakainen

Kaikki mustaan aukkoon päätyvä katoaa lopullisesti tästä maailmankaikkeudesta. Niin uskottiin mutta niin ei kuitenkaan ole.

Stephen Hawking laski jo 1970-luvulla, että pilkkopimeinä pidetyt avaruus-ajan kurimukset säteilevät. Lopullisen rajan muodostavan tapahtumahorisontin äärellä ilmestyvän virtuaalisen hiukkasparin toinen puolisko voi päästä karkuun, kun toinen joutuu aukon uumeniin.

Etäämpää tapahtumia tarkkailevan silmin näyttää siltä, että musta aukko säteilee. Samalla karkaava hiukkanen vie mennessään energiaa, jolloin aukon massa pienenee ja ennen pitkää kosminen kummajainen voi höyrystyä olemattomiin.

Mitä silloin tapahtuu informaatiolle, jonka musta aukko on niellyt samalla, kun sen kitaan on joutunut sekalaista materiaa?

Hawking oli sitä mieltä, että hänen mukaansa nimetty säteily ei ratkaise tätä informaatioparadoksia.

Kvanttimekaniikan lakien mukaan informaation pitäisi säilyä. Jos tietoa kuitenkin voi kadota peruuttamattomasti mustiin aukkoihin, se murentaa tieteen pohjana olevan ennustettavuuden sekä syyn ja seurauksen keskinäisen riippuvuuden.

Onneksi informaatio kuitenkin säilyy. Hawking oli väärässä ja myönsi sen itsekin. Ongelmana on kuitenkin ollut mekanismi, jolla mustaan aukkoon sujahtanut informaatio säilyy ja on jopa palautettavissa.   

Buffalon yliopiston tutkijoiden Dejan Stojkovicin ja Anshul Sainin tuoreessa artikkelissa tarkastellaan mustan aukon säteilemien hiukkasten lisäksi myös niiden välisiä vuorovaikutuksia. Aiemmin ne on jätetty huomiotta, mutta uuden teoreettisen tutkimuksen mukaan nimenomaan nämä vuorovaikutukset ovat informaation avain.

Hiukkasvuorovaikutusten avulla olisi – ainakin periaatteessa – mahdollista selvittää, millainen taivaankappale aikoinaan muodosti mustan aukon ja millaista ainetta ja energiaa sen sisään on aikojen saatossa joutunut.

Stojkovicin mukaan hiukkasten väliset gravitaatio- ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset on sivuutettu aikaisemmissa laskelmissa, koska "niiden arveltiin olevan niin pieniä, ettei niillä olisi juurikaan merkitystä".

Uusien, aiempaa tarkempien laskelmien mukaan niiden vaikutus onkin hyvin pieni, mutta vain alkuun. Aikaa myöten merkitys kasvaa ja silloin vuorovaikutukset muuttavat tarkastelun lopputulosta: informaatio ei katoa, se säilyy sittenkin.

Miten informaatio on ongittavissa hiukkasten välisten vuorovaikutusten avulla, onkin käytännössä hankalampi haaste. Yksi este on jo se, että ihan lähellä ei ole mustaa aukkoa, jonka säteilemien hiukkasten vuorovaikutuksia päästäisiin tutkimaan riittävän yksityiskohtaisesti.

Stojkovicin ja Sainin tuloksista kerrottiin Buffalon yliopiston uutissivulla ja heidän artikkelinsa ilmestyi Physical Review Letters -julkaisussa (maksullinen) 17. maaliskuuta.

Kuva: ESO / M. Kornmesser