Wetenschappers werken op de grenzen van het onbekende,
waar elk nieuw stuk kennis een pad vormt
wat ons de onzekerheid in leidt.
En niets is meer onzeker --
of potentieel verhelderend -- dan een paradox.
Doorheen de geschiedenis
dreigden paradoxen alles wat we wisten te ondermijnen,
en net zo vaak hebben ze ons begrip van de wereld hervormd.
Een van de grootste paradoxen in het heelal
dreigt onze theorieën op losse schroeven te zetten
over de algemene relativiteit en de kwantummechanica.
de zwarte-gat-informatieparadox.
Om deze paradox te begrijpen,
moeten we eerst definiëren wat we bedoelen met ‘informatie’.
Vaak is de informatie waar we over praten zichtbaar voor het blote oog.
Dit soort informatie vertelt ons bijvoorbeeld
dat een appel rood, rond en glanzend is.
Maar natuurkundigen zijn meer bezig met kwantuminformatie.
Die verwijst naar de kwantumeigenschappen
van alle deeltjes in die appel,
zoals positie, snelheid en rotatie.
Elk object in het heelal is samengesteld
uit deeltjes met unieke kwantumeigenschappen.
Dit idee wordt het duidelijkst weergegeven
in een essentiële natuurkundige wet:
de totale hoeveelheid kwantuminformatie in het heelal blijft constant.
Zelfs als je een object onherkenbaar vernielt,
verdwijnt de kwantuminformatie nooit permanent.
Theoretisch zou kennis van die informatie
ons in staat moeten stellen om het voorwerp
opnieuw uit die deeltjes terug op te bouwen.
Behoud van informatie is niet zomaar een willekeurige regel,
maar een wiskundige noodzaak,
waarop een groot deel van de moderne wetenschap is gebouwd.
Maar rond zwarte gaten gaat dat fundament aan het wankelen.
Wanneer een appel in een zwart gat valt,
lijkt het alsof hij het universum verlaat
en al zijn kwantuminformatie onherroepelijk verloren gaat.
Dit overtreedt echter geen fysicawetten.
De informatie is uit het zicht,
maar ze zou nog steeds kunnen bestaan
in de mysterieuze leegte van het zwarte gat.
Anderzijds suggereren sommige theorieën
dat deze informatie helemaal niet in het zwarte gat verdwijnt.
Van buitenaf gezien is het alsof de kwantuminformatie van de appel
gecodeerd wordt op de oppervlaktelaag van het zwarte gat,
de gebeurtenishorizon genaamd.
Als de massa van het zwarte gat toeneemt,
vergroot het oppervlak van die horizon ook.
Zo is het mogelijk dat als een zwart gat een voorwerp opslokt,
het ook groot genoeg wordt
om de kwantuminformatie van het object te behouden.
Maar of nu de informatie
binnen het zwarte gat of op het oppervlak bewaard blijft,
de natuurwetten blijven evengoed intact --
totdat je rekening gaat houden met de Hawking Straling.
Ze werd in 1974 door Stephen Hawking ontdekt
en toont aan dat zwarte gaten geleidelijk verdampen.
Over ongelooflijk lange tijd
verliezen zwarte gaten massa
door deeltjes uit te stoten vanuit hun gebeurtenishorizon.
Cruciaal is dat het lijkt alsof de verdampende deeltjes
geen verband hebben met de informatie die het zwarte gat codeert --
wat suggereerde dat een zwart gat en alle kwantuminformatie die het bevat
volledig kon worden gewist.
Verdwijnt die kwantuminformatie echt?
En zo niet, waar gaat ze heen?
Terwijl het verdampingsproces ongelooflijk lang zou duren,
zijn de vragen die het stelt voor de natuurkunde veel urgenter.
De vernietiging van informatie zou ons dwingen tot het herschrijven
van sommige van onze meest fundamentele wetenschappelijke paradigma's.
Maar gelukkig is in de wetenschap
elke paradox een kans voor nieuwe ontdekkingen.
Onderzoekers onderzoeken een breed scala van mogelijke oplossingen
voor de informatieparadox.
Sommigen theoretiseerden
dat deze data gecodeerd zitten in de ontsnappende straling
op een manier die we nog niet kunnen begrijpen.
Anderen suggereerden dat de paradox gewoon een misverstand is
van hoe de algemene relativiteitstheorie en de kwantumveldtheorie interageren.
Deze twee theorieën beschrijven
de grootste en de kleinste fysische verschijnselen,
en ze zijn notoir moeilijk te combineren.
Sommige onderzoekers beweren
dat een oplossing voor deze en vele andere paradoxen
er natuurlijkerwijze zal komen met een ‘geunificeerde theorie van alles’.
Maar misschien is de meest hersenenpijnigende theorie
uit de studie van deze paradox
wel het holografisch principe.
Voortbouwend op het idee
dat het 2D-oppervlak van een gebeurtenishorizon
kwantuminformatie kan opslaan,
stelt dit principe dat de grens van het waarneembare heelal
ook een 2D-oppervlak is met gecodeerde informatie
over echte 3D-objecten.
Als dit waar is, is het mogelijk dat de werkelijkheid zoals wij die kennen
slechts een holografische projectie is van die informatie.
Indien bewezen
zou elk van deze theorieën leiden tot nieuwe vragen om te verkennen,
terwijl ze onze huidige modellen van het universum zouden behouden.
Maar het is ook mogelijk dat deze modellen verkeerd zijn!
Hoe dan ook hielp deze paradox ons om nog eens een stap te zetten
in het onbekende.