Analyse

Als je in een zwart gat valt, zit je dan voor eeuwig vast? Misschien toch niet, volgens een baanbrekend artikel

null Beeld John Gall
Beeld John Gall

Verdwijnt alles in een zwart gat voorgoed? Nou, wellicht lekt een echo van je voormalige zelf ooit naar buiten, stellen onderzoekers in een artikel waarover natuurkundigen maar niet uitgepraat raken. ‘Dit is de spannendste ontwikkeling sinds het werk van Stephen Hawking.’

Zwarte gaten zijn de meest raadselachtige en indrukwekkende fenomenen in het heelal. Ze roepen diepe, bijna filosofische vragen op als ‘kunnen we ooit het binnenste van een zwart gat zien?’ En, belangrijker nog: ‘kun je er ooit uit een ontsnappen?’ Op die laatste vraag is het antwoord een voorzichtig ‘ja’, zo denken steeds meer fysici. En dat inzicht, zo hopen zij, kan fundamentele waarheden blootleggen over hoe de kosmos op de allerkleinste schaal aan elkaar is geknoopt.

Dit is wat we zeker weten: in een zwart gat vallen is geen pretje. In het meest waarschijnlijke geval trekt zo’n gat je uit elkaar tot een spaghettisliert en slurpt je langzaam naar binnen. En mocht je die reis per abuis overleven, dan is het daarna alsnog game over. Voorbij de zogeheten waarnemingshorizon, het point of no return, kan niets, zelfs het licht niet, ooit nog aan zijn aantrekkingskracht ontsnappen.

Schrale troost: op termijn kan ‘iets’ van jezelf, een spookachtige echo van je voormalige ik, wél naar buiten lekken. Steeds meer fysici raken ervan overtuigd dat de informatie waaruit je bestaat, de bouwinstructie die het heelal vertelt hoe het een ‘jou’ moet maken, weer terug de kosmos in zal dampen.

Dat blijkt althans uit een nieuw, razend complex vakartikel dat nu al maandenlang furore maakt in het wereldje van de theoretische natuurkunde. Eentje waarvoor de auteurs vrijwel het gehele lexicon der populaire, geestverruimende theoretische concepten gebruiken: van wormgaten en baby-universa tot en met de optie dat de kosmos niets anders is dan een hologram.

Vreselijk lastige materie, geeft mathematisch natuurkundige en zwartgatkenner Marcel Vonk (Universiteit van Amsterdam) meteen toe. ‘Hier zijn de journal clubs, groepjes fysici die onderling vakartikelen bespreken, nog wel even zoet mee. Ik begrijp zelf ook nog niet alles.’

En toch lopen theoretici er en masse warm voor. ‘Dit is de spannendste ontwikkeling rond zwarte gaten sinds het werk van Stephen Hawking’, zei Donald Marolf (University of California), een van de twee auteurs van het nieuwe artikel, tegen de populairwetenschappelijke website Quanta Magazine.

‘Heel elegant’, noemt ook theoretisch natuurkundige Erik Verlinde (Universiteit van Amsterdam) het onderzoek. Zelf is hij met een promovendus al bezig aan een vervolg. ‘Wij zetten daarin een stap vooruit en maken de berekening nog preciezer, zodat we ook meer te weten komen over de onderliggende beschrijving van het heelal waar dit artikel, en zijn voorgangers, op hint’, zegt hij.

null Beeld John Gall
Beeld John Gall

Natuurwetten verkruimelen

Want die onderliggende beschrijving, dát is waar het fysici eigenlijk om gaat. De kans dat iemand ooit écht in een zwart gat valt, lijkt namelijk nihil. Pas ver voorbij de plekken waar astronauten in het internationale ruimtestation zweven en waar satellieten baantjes om de planeet trekken, op zo’n duizend lichtjaar (9,5 biljard kilometer) van hier, bestaat het risico dat je er eentje tegen het spreekwoordelijke lijf loopt.

Zwarte gaten zijn kosmische raadsels die om antwoord schreeuwen. In hun binnenste is het zó extreem dat het begrip van onze natuurwetten er verkruimelt. Of het nu de algemene relativiteitstheorie van Einstein is, die de structuur van de kosmos op grote schaal boetseert, de quantumfysica die de werkelijkheid beschrijft op het niveau van deeltjes, de kleinste bouwsteentjes van alles om ons heen, of de thermodynamica, de natuurkundige warmeteleer… op, in en rond zwarte gaten betreed je een schaduwwereld waar niets van dat alles zich gedraagt als verwacht. Wie de mysterieuze processen die daar heersen doorgrondt, zo luidt daarom de hoop, snapt de werkelijkheid op een dieper, fijnmaziger niveau dan de natuurkunde toelaat.

Het prangendste raadsel rond zwarte gaten is wat ze nu precies met informatie doen. Fungeert een zwart gat als kosmische gum die élk stukje informatie definitief uit het heelal verwijdert? Of kan, zoals een reeks recente artikelen suggereert, informatie toch ontsnappen?

Dat raadsel begint bij het feit dat zwarte gaten langzaam verdampen. En langzaam is hier ook écht langzaam. Een zwart gat grofweg zo zwaar als de zon doet er vele malen langer over dan de leeftijd van het heelal. Dat dampen werpt de vraag op: wanneer het zwarte gat eenmaal verdwenen is, wat is er dan gebeurd met alle informatie die erin viel?

De gangbare theorieën stellen dat wat uit het zwarte gat komt – de Hawkingstraling – geen informatie bevat. Of een zwart gat zich in de loop der jaren nu voedde met sterren, nevels, mensen of antieke Samoerai-zwaarden: wat eruit komt, is altijd exact dezelfde, saaie, karakterloze zwartgatdamp. Tegelijk stelt de natuurkunde dat informatie nooit verloren mag gaan. Ziedaar: een tegenspraak, een logische onmogelijkheid waar fysici niet mee kunnen leven.

Kerstvakantie aan het zwembad

Die zogeheten informatieparadox houdt de natuurkundige gemoederen al sinds de jaren zeventig bezig. Spoel door naar Kerst 1992, wanneer de Amerikaanse fysicus Don Page in Californië tijdens een kerstvakantie met zijn familie aan de rand van een zwembad zit. Plotsklaps realiseert hij zich dat iedereen iets belangrijks over het hoofd ziet.

Stel de vraag ‘waar is alle informatie gebleven wanneer een zwart gat is verdampt?’ en je gaat bijna ongemerkt aan iets voorbij. Want inderdaad: aan het begin en eind van zijn leven sijpelt er geen informatie uit het gat. Maar daar tussenin gebeurt iets bijzonders.

Volgens Page bevat de Hawking-straling die naar buiten komt toch informatie. Informatie die verbonden is geraakt – verstrengeld, in fysica-jargon – met de informatie ín het zwarte gat. Ook anderen, onder wie Stephen Hawking, onderschreven dat idee, maar kwamen er niet mee verder. Het verschil is dat Page het proces in de loop van de tijd op een fundamenteel andere manier beschrijft.

De crux schuilt in de hoeveelheid verstrengelde informatie die het zwarte gat met de buitenwereld verbindt. Volgens de berekeningen van Hawking zou die hoeveelheid steeds moeten toenemen. Informatie kan immers niet naar buiten. Maar als informatie wél kan ontsnappen, zo redeneerde Page, dan moet de hoeveelheid verstrengeling op een gegeven moment afnemen. Het resultaat is een grafiekje in de vorm van een omgekeerde V dat beschrijft hoe informatie met de tijd uit het gat dampt, met de punt van de V als cruciaal kantelmoment.

‘Die Page-kromme was een enorme, niet te onderschatten doorbraak’, zegt Vonk. Want hoewel iedereen zo’n grafiekje kan verzinnen, lieten Page en anderen vervolgens onomstotelijk zien dat als zwarte gaten inderdaad informatie lekken, dat wel móét gebeuren via die omgekeerde V.

De vraag werd vervolgens: krijg je de Page-kromme ook als resultaat wanneer je de andere kant op redeneert? Niet vanuit de aanname dat informatie ontsnapt, zoals Page zelf deed, maar vanaf nul, simpelweg door zwarte gaten te beschrijven met de bekende natuurwetten? Als dat lukt, zo luidt de gedachte, dan heb je sterk logisch bewijs dat zwarte gaten inderdáád informatie uitstralen. Je hebt dan, met andere woorden, de informatieparadox opgelost.

Theoretici gingen vervolgens aan de slag met de snaartheorie, een theorie die op papier alle andere natuurwetten aan elkaar plakt. Daaraan voegden ze nog één ander concept toe (en dit is waar het allemaal nog wat esoterischer wordt): het idee dat je het heelal, in elk geval wiskundig, ook als een soort hologram mag beschouwen. Zo’n hologram-heelal rekent namelijk gemakkelijker door dan een ‘echte’ variant.

Wormgaten en snaartheorie

En, jawel: dat lukte. Eind vorig jaar publiceerden twee teams tegelijk een artikel waarin ze lieten zien dat in een heelal dat drijft op de wetten van de snaartheorie, zwarte gaten inderdaad informatie lekken via de Page-kromme. Die twee artikelen staan tegenwoordig bekend als de East Coast- en West Coast-papers, omdat ze aan universiteiten aan de betreffende kusten van de Verenigde Staten zijn geschreven.

Wederom is voor die conclusie wel wat gestoei nodig met maffe concepten. ‘De artikelen laten zien hoe zwarte gaten kunnen verstrengelen via wormgaten’, zegt Verlinde. Of, zoals Vonk het formuleert: ‘Ze bedachten een manier waarop je een berekening die heel moeilijk is voor een geheel zwart gat kunt vervangen door een wiskundig eenvoudigere berekening waarbij je via wormgaten replica’s van zwarte gaten aan elkaar plakt.’ Voeg, met andere woorden, wormgaten toe aan de mix en een som die eerst heel moeilijk was, blijkt ineens oplosbaar.

De East- en West Coast-artikelen werden al snel gevierd als voorlopig hoogtepunt in de zoektocht naar een oplossing voor de informatieparadox. Maar daarmee was die zoektocht nog niet ten einde. De artikelen gingen er immers van uit dat de snaartheorie klopt. En dát is nog maar de vraag. Ook na decennia is de theorie nog altijd onbewezen.

Een ander heelal

Dat is het moment waarop het nieuwe artikel van Marolf en collega Henry Maxfield ten tonele verschijnt. ‘Ze koppelen daarin de berekening van de Page-kromme los van de snaartheorie’, zegt Verlinde. Game, set and match voor de theoretische natuurkunde, dus? Informatieparadox opgelost?

Nee, dat (nog) niet. Het succes van Marolf en Maxfield zit namelijk gewikkeld in een minstens zo grote teleurstelling: de fysici blijken het klusje te kunnen klaren zónder de grote natuurkundedoorbraak waarop iedereen zo vurig hoopte. ‘Ze borduren voort op werk waar Hawking dertig jaar geleden al mee bezig was’, zegt Verlinde. ‘Je blijkt alleen ‘gewone’ zwaartekracht nodig te hebben met maar één extra laagje uit de quantummechanica’, zegt Vonk. ‘Dat is toch een beetje jammer.’

Bovendien: net als in eerdere artikelen rekenen Marolf en Maxfield met wat in vakkringen een ‘anti-de Sitter’-heelal heet, een tegenhanger van het echte heelal waarvan de wiskunde subtiel anders (en daardoor behapbaarder) is. En dat is in zekere zin tóch een beetje valsspelen.

Pas als fysici erin slagen de som te maken in het echte universum, is de informatieparadox definitief opgelost, zegt Verlinde. ‘Dit proces verloopt in golven. De laatste vond acht jaar geleden plaats en nu zetten we weer grote stappen’, zegt hij. Of gewone stervelingen zoals u en ik de uiteindelijke oplossing kunnen volgen, is nog even afwachten, gegeven de breinpijnigende ingrediënten van de nieuwe zwartegatenrevolutie. Fysici blijven in elk geval hopen dat zwarte gaten straks de ware taal zullen onthullen waarin het heelal is opgetekend.

Dit zijn de geestverruimende ingrediënten van de nieuwe zwartegatenrevolutie

Een kleine selectie van de vele duizelingwekkende concepten uit het moderne onderzoek naar zwarte gaten en de diepste details van de werkelijkheid.

Wormgat Tunnel door ruimte en tijd die de ene uithoek van de kosmos met de andere verbindt.

Baby-universum Mini-heelal dat (tijdelijk) van het onze afsplitst.

Snaartheorie De theorie die stelt dat alles om ons heen op de kleinste schaal bestaat uit minuscule trillende snaartjes. Voegt bestaande natuurwetten samen in één wiskundige beschrijving.

Holografisch principe Stelt dat ons heelal in wiskundige zin een hologram is. Net zoals een (driedimensionaal) hologram ontstaat vanuit een complex samenspel van licht op een plat (tweedimensionaal) vlak, ontstaat het heelal uit een complex samenspel van fundamentele bouwstenen in een equivalente ruimte met één dimensie minder dan we om ons heen zien.

Verstrengeling De spookachtige neiging van deeltjes om zich als één ‘ding’ te gedragen, zelfs als ze lichtjaren uit elkaar zitten (of aan de binnen- en buitenkant van een zwart gat).

Meer over