Fizik

Stephen Hawking’in Kara Delik Bilgi Paradoksu Sonunda Çözülmüş Olabilir

Onun aklı gerçekten eşsizdi. Zamanımızın en büyük beyinlerinden birisi olan Stephen Hawking aramızdan ayrılışıyla, arkasında kalbi kırık pek çok bilim aşığı bıraktı. Ölümüne kadar makaleler yayımlamaya devam etti. Üzerinde en çok konuşulan makalelerinden birisi kara delik bilgi paradoksu idi.

Hawking çözümünü, 2016 yılında yayımladı. Kara deliklerin aynı anda nasıl olup da bilgiyi hem sildiğine hem de koruduğuna potansiyel bir açıklama buldu. Bu paradoksun çözümü olmasa da katkısı önemliydi. Kara delik bilgi paradoksunun aslında ne olduğunu anlamak için her şeyin başladığı yere geri dönmemiz gerekli.

Kara Delik Bilgi Paradoksu Nedir?

Einstein’ın genel görelilik teorisi çerçevesinde kara deliklere dair ilk bilgimiz, olay ufkunu – kara deliğin sınırı – geçen her şeyin sonsuza kadar yok olduğudur. Işık bile kara deliğin pençelerinden kaçamaz ki zaten bu yüzden kara deliklere kara delik denilir. Ayrıca bir kara deliği görmenin imkansız olmasının sebebi de budur. Ama 1970’lere geldiğimizde Hawking, kuantum mekaniği yasaları sebebiyle, radyasyonun (ışınımın) kara delikten kaçabildiğini öne sürdü. Kara deliklerin çelişkili biçimde­ bütünüyle kara renkte olmadığını gösterdi. Kara delikler uzaya, “Hawking ışınımı veya Hawking radyasyonu ” adını verdiğimiz ışınımı yayar.

Hawking, olay ufkunun hemen dışında kuantum süreçlerin iş­lemekte olduğunu ileri sürmüştü. Buna göre atom-altı parçacıklar, karşı parçacıklarıyla birlikte çevremizdeki vakum içinde bir belirip bir kaybolur. Böyle bir sanal parçacığı yaratmak için gereken ener­ji yerine tekrar hızla konduğu için, doğa bu olan bitenleri görmez­den gelir. Ancak kimi zaman, çifti oluşturan parçacıklardan biri kara deliğin içine düşer.

Kendisini sıfırlayacak olan eşinden yoksun kalan diğer parçacık ise ortadan kaybolmanın yolunu bulamaz. Varlığı artık geçici değil, kalıcı olmuştur. Onu var edecek enerjinin ise bir yerden gelmesi gerekir. Bu kaynak, kara deliğin kütleçekim enerjisidir. Hawking ışınımının içerdiği sayısız parçacığın enerjisini böylece tek tek veren kara delik, sonunda kütle enerjisini kaybede­rek yok olur ya da buharlaşır.

Fakat Hawking’in teorisinin sorunlu bir tarafı vardır. Kara deli­ğin buharlaşmasıyla, onu oluşturmak için başlangıçta çöken yıldızla ilgili tüm bilgilerin de örneğin tüm atomlarının tip ve konumları­ yok olacağını ima eder. Bu durum ise fiziğin temel bir hükmüyle çelişir.

Kara Delik Bilgi Paradoksu İçin Çözüm Önerileri

Bir şeyi ortadan kaldırmak istediğinizi hayal edin. Mesela bu en sevmediğiniz fotoğrafınız olsun. Onu yakabilirsiniz, yırtabilirsiniz ancak üzgünüz. Fizik yasaları onun en azından içindeki bilginin yeniden birleştirilebileceğini vaat eder. Bilgi hiçbir zaman yaratılamaz veya yok edilemez. Peki bu fotoğrafı bir karadeliğe atsanız tamamen kurtulabilir misiniz? Bilmiyoruz. İşte bu durum kara delik bilgi paradoksu olarak biliniyor.

Kara delik bilgi paradoksunu çözmek için bir ipucu, İsrailli fizikçi Jacob Bekenstein’dan geldi. Bekenstein’ın olay ufkuyla ilgili olarak yaptığı önemli keşfe göre, olay ufkunun yüzey alanı, kara deliğin entropisiyle ilişkiliydi. Bu sayede kara delik termodinamiğini anladık. Fizikte bir cismin entropisi, onun mikroskobik düzeydeki düzensizliği anlamına gelir. Entropi aynı zamanda bilgi ile sıkı bir ilişki içindedir.

Bu ipucunu kullanan kuramsal fizikçi Juan Maldacena 1997 yılında, yıldızı tanımlayan bilginin depolandığı yerin olay ufku olduğunu göster­di. Buna göre kara deliğin ufuk bölgesinden saldığı Hawking ışını­mı üzerinde yıldızla ilgili bilgi de mevcuttu. Bunun sonucunda, kara delik ortadan kaybolduğunda bilgi Hawking ışınımı aracılığıyla evrene yayılıyordu. Yani bilgi hiçbir zaman kaybolmuyordu. Buradaki önemli düşünce 2-boyutlu bir yü­zeyin (bir kara deliğin ufkunun), 3-boyutlu bir cismi (bir yıldızı) tanımlamaya yetecek kadar bilgiyi depolayabilmesi idi.

İlerleyen süreçte 1990 yılında Stanford Üniversitesi’nden Leonard Susskind, şaşırtıcı bir bağlantı ileri sürdü. Evren tıpkı bir kara delik gibi, zamansal bir ufukla çevrelenmişti. 3-boyutlu evreni tanımlayan bilgi, evrenin ufkunda de­polanmış olabilirdi. Bu Holografik evren fikrinin doğmasına neden oldu.

Evren bir hologram, altta yatan 2-boyutlu gerçekliğin 3-boyutlu bir temsili olabilir mi? Kaynak: miro.medium.com

Devamında Hawking de bu fikre olumlu yaklaştı. 2016’da Hawking, soruna bir çözüm önerdi. Kara deliklerin etrafını saran ve bilgi depolayabilen bir “yumuşak saç” halesi olabilirdi. Bu saç elbette bildiğimiz gibi bir saç değil. Bu aslında, kara delik buharlaştıktan çok sonra, kara delik tarafından yutulan her şeyin imza izlerini yanlarında taşıyan düşük enerjili kuantum uyarılmaları idi.

Paradoks İle İlgili Sorun Neydi?

Kara delik bilgi paradoksu, kuantum mekaniğini genel görelilikle karşı karşıya getirir. Genel görelilik ile kuantum mekaniği insanlığın en büyük iki başarısı olsa da birlikte pek iyi çalışmazlar. Kara delikler de her iki kuramın da gerekli olduğu durumlardan birisidir. Paradoksun sona erdiğine dair iddialar zaman zaman ortaya atılmış olsa da paradoks hala çözülmemiş durumdadır. Bilginin tam olarak nereye gittiğini ve bir kara delikten nasıl çıktığını belirlemekten hala çok uzağız. Teorisyenler, gerekli hesaplamaları yapmak için kullanılan birçok yöntemin geçerliliği ve sağlamlığı konusunda anlaşamıyorlar. 

Kara delik Bilgi Paradoksu Çözüldü mü?

Ancak yakın zamanda yayınlanan bir çalışma bu paradoksun çözümüne oldukça yaklaştığımızı iddia ediyor.  Sussex Üniversitesi’nden Profesör Xavier Calmet ve ekibi, kara delik tarafından yutulan yıldızlara ait bileşenlerin kara deliğin yerçekimi alanında bir iz bıraktığını ortaya koyduklarını söyledi. Ekip bu izi kuantum saçı olarak tanımlıyor.

Söz konusu teorinin, kuantum mekaniğini ve genel görelilik kuramını ihlal etmeden kara deliğe giren cisimlere ait bilginin tekrar ortaya çıkmasına izin verdiğini aktaran Calmet, böylece çelişkinin de ortadan kalktığını söyledi. Bu paradoksu çözmenin fizikte büyük bir paradigma kayması gerektireceği ve kuantum mekaniğinin veya genel göreliliğin potansiyel olarak yeniden formüle edilmesini zorunlu kılacağı genel olarak bilim topluluğu içinde varsayılmıştı. Buldukları şey bunun gerekli olmadığı oldu. Kuantum saç teoremi ile, genel görelilik ve kuantum mekaniği arasındaki boşluğu doldurarak paradoksu çözdüğünü iddia ediyor.

Ancak bu teoriyi astronomik gözlemlerle test etmenin bariz bir yolu yok, çünkü yer çekimi dalgalanmaları ölçülemeyecek kadar küçük olacak. Kara delik bilgi paradoksu, gelişmeler devam ettikçe önümüzdeki yıllarda pek çok kez manşetlerde yer alacaktır.


Göz Atmak isterseniz


Kaynaklar ve İleri Okumalar: 

  • Stephen Hawking’in doktora tezine şu adresten ulaşılabilir; https://www.repository.cam.ac.uk/
  • Here’s Stephen Hawking’s Incredible Solution to His Black Hole Information Paradox; Yayınlanma tarihi: 14 Mart 2018; Yayınlandığı yer: Bağlantı: https://www.sciencealert.com/
  • Do Black Holes Destroy Information?; Yayınlanma tarihi: 3 Aralık 2013;Yayınlandığı yer: Nova; Bağlantı: https://www.pbs.org
  • No, Stephen Hawking’s Black Hole Information Paradox Hasn’t Been Solved; Yayınlanma tarihi: 5 Kasım 2020; Yayınlandığı yer: Forbes; Bağlantı: https://www.forbes.com
  • ‘Quantum hair’ could resolve Hawking’s black hole paradox, say scientists; Yayınlanma tarihî: 17 Mart 2022; Bağlantı. https://www.theguardian.com/science

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.
Başa dön tuşu