Işıktan Hızlı Yolculuk ve Zamanda Seyahat >> Solucandelikleri kara delik enformasyon paradoksunu çözer mi?

Kara delikleri ateşten bir enerji duvarı mı kuşatıyor? Geçenlerde ele aldığımız gibi ateş duvarı diye bir şey gerçekten varsa, kuantum fiziği, bilginin korunumu veya Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi gibi temel fizik yasalarının yanlış olması gerekiyor. Işıktan hızlı yolculuğa teorik olarak izin veren “solucandelikleri” bizi bu çelişkiden kurtarabilir mi?

Fizikçiler “kara delik ateş duvarı” problemini çözmek için California Üniversitesi Santa Barbara Kavli Enstitüsü’nde bir araya geldiler. Stephen Hawking’in 1976 yılında ortaya koyduğu bu paradoks fizik bilimindeki en büyük sorunlardan birini oluşturuyor.

Sicim teorisinden yola çıkarak tutarlı bir kuantum kütleçekim kuramı geliştiren Juan Maldacena ve kara delik entropisinden ilham alarak holografik evren modelini geliştiren Leonard Susskind, bu kez toplantıda “solucandeliği modelini” anlattı. Solucandelikleri ışıktan hızlı yolculuğa ve zamanda seyahate izin veriyor. Belki kuantum fiziğindeki dolaşıklık olgusunu da açıklayabilir.

 

 

Bildiğimiz gibi her kara deliğin bir olay ufku var. Kara deliklerin olay ufkunu geçip kara deliğin içine giren hiçbir şey dışarı çıkamaz. Işık bile kara deliklerden kaçamaz.

Bugüne kadar kara delikleri kuşatan olay ufkunun nispeten sakin bir yer olduğunu düşünüyorduk; yani kara deliğin içine düşmediğiniz sürece, olay ufkuna yaklaşmak tehlikeli değildi. Süper kütleli kara delikler söz konusu olduğunda ise olay ufkunu geçen astronotların bile önce hiçbir şey hissetmemesi gerekiyordu.

 

Fizik dünyasının süper starı kara delikler

Olay ufku tehlikeli olmayabilir ama fizikte önemli olan olayların büyük kısmı olay ufkunda meydana geliyor ve bunun bir nedeni var: Kuantum fiziği:

Kuantum fiziğine göre bir çift sanal parçacığın uzayda aniden ortaya çıktığını düşünün. Normal olarak bunlar hemen birleşerek birbirini yok eder. Ancak bu parçacık çifti olay ufkuna yakınsa, bir parçacık kara deliğin içine düşebilir, diğeri ise kara deliğin dışında kalarak uzayda başıboş dolaşabilir. Bu da kara deliklerin atomaltı parçacıklardan oluşan bir tür radyasyon yaydığı anlamına geliyor.

Stephen Hawking, “Hawking Radyasyonu” olarak adlandırılan bu olguyu yaklaşık 40 yıl önce formüle etti. Buna göre, kara delikler zamanla o kadar çok parçacık kaybediyor ki buharlaşarak gittikçe küçülüyor ve bir gün yuttukları kütleyi evrene Hawking Radyasyonu olarak geri saçarak yok oluyorlar.

 

 

İçine düşen çıkamaz

Duruma başka bir açıdan bakacak olursak, kara deliklerin fırsat buldukça madde yuttuğunu söyleyebiliriz. Şurada burada birkaç gaz bulutu ya da talihsiz bir-iki yıldız, fazla meraklı bir astronot, Schrödinger’in kedisi vs. vs. Bütün bunlar kara deliklere düşebilir ama bu kalıcı bir durum değil. Kara delikler yuttukları şeyleri Hawking Radyasyonu olarak evrene geri kusuyor.

Öte yandan fizikte enformasyonu (bilgiyi) yok etmek de imkansız. Bu nedenle, kara deliğe düşen şeyler sağ salim geri gelmese bile bunlara ait izler taşıyan bir tür enerji alanının, enformasyonun uzaya geri dönmesi gerekiyor. “Hawking Radyasyonu”nun kara deliğe düşen her şeyin bilgisini içermesi lazım. Biz bu saklı bilgiyi okuyamasak bile Hawking Radyasyonu o bilgiye sahip olmak zorunda.

 

Seslensem kimse duymaz 🙂

Bunun fizikte mümkün olmasının tek yolu Hawking Radyasyonu’nun “dolaşık” halde olması: Kuantum fiziğinde dolaşıklık, parçacıkların kuantum durumlarının, aynı zamanda “Hawking Radyasyonunda bulunan diğer parçacıkların kuantum durumlarından etkilenmesi” anlamına geliyor. Kısacası radyasyon alanındaki bir parçacığı değiştirmek diğer parçacıkları da değiştiriyor (yazının sonundaki video).

Kara deliklere geri dönecek olursak… Hawking Radyasyonu’nun bir çift sanal parçacığın gerçek dünyada ortaya çıkmasından kaynaklandığını hatırlayalım. Bu parçacıklardan biri kara deliğe düştü, diğeri ise düşmeden uzaya kaçtı ve iki parçacık da birbirine dolaşık durumda.

 

 

Hem dolaşık hem de bize göre kopuk?

Fizikte bir sınırlama daha var: Yoktan enerji üretmek veya enerjiyi yok etmek imkansızdır. Bu sebeple, bir parçacığın aynı anda iki yerde birden olması veya bir parçacığın iki farklı durumunu gösteren iki farklı bilgiye aynı anda sahip olmamız da mümkün değil. Bunu dolaşıklık kavramına uygulayacak olursak: Bir parçacık ya doğrudan ikiziyle dolaşık olabilir, ikizine bağlı olabilir ya da kara delikten gelen radyasyondaki diğer parçacıklara bağlı olabilir. Ancak “ikisine” birden bağlı olamaz.

İşte kara deliklerde enformasyon paradoksu dediğimiz şey bu: Enformasyonu korumak için Hawking Radyasyonu’ndaki parçacıkların birbiriyle dolaşık olması gerekiyor ama Hawking Radyasyonu’nun meydana gelmesi için, bu parçacıkların aynı zamanda kara deliğe düşen parçacıklara da bağlı olması gerekiyor.

 

 

İçi dışı bir değil ama ikisi de geçerli

Teorik fizikçi Leonard Susskind ve Gerard ‘t Hooft, bunun evrende mümkün olabileceğini düşündüler. Ancak mümkünse, bu paradoksu önlemenin tek bir yolu vardı: Bir kişi bu dolaşıklık durumlardan sadece birini görebilirdi.

Kara deliğe düşen parçacığın dışarıdaki ikizine baktığımızda, yalnızca kara deliğe düşen parçacığın olay ufkundaki son halini, bize göre zamanda donup kalmış eski halini görebiliriz. Susskind bunu Kara Delik Savaşları adlı kitabı ve aynı adı taşıyan konferansında “Eşdeğerlik İlkesi” olarak açıklıyor. Öte yandan, bize göre olay ufkunda donup kalmış olsa da bu parçacığın aslında kara deliğe düştüğünü biliyoruz: İki durum da gerçek, ikisi eşdeğer. Bunu şöyle açıklayabiliriz.

 

Biz sadece olay ufkunu kara deliğin hemen dışına bağlayan dolaşıklığı görebiliriz. Yine olay ufkunda yer alan, ancak olay ufkunu kara deliğin içine bağlayan ve bir parçacığın kara deliğin içindeki halini gösteren enformasyona sahip dolaşıklık durumunu ise asla göremeyiz.

Basitçe ifade edersek, Hawking Radyasyonu’na dışarıdan baktığımızda sadece kara delikten kaçan parçacığı görebiliriz. Kara deliğin içindeki parçacığı ise kesinlikle göremeyiz. Bu bilgiyi asla öğrenemeyiz. Kara delikten kaçan parçacık bize sadece kara deliğe düşen ikizinin olay ufkundaki son halini gösterebilir.

 

 

Peki ya dolaşık olan ikinci parçacık da sonradan kara deliğe düşerse?

Ateş Duvarı sorunu çıkınca bu açıklamayı bozdu ve paradoksu geri getirdi. Bilim adamları şu ihtimali düşünmek zorunda kaldılar: Ya ilk seferinde kara deliğe düşmeden kaçan parçacık birkaç saniye sonra tıpkı dolaşık olduğu ikizi gibi kara deliğe düşerse ne olacak?

Bu durumda hem Hawking Radyasyonu olarak bize kendi bilgisini gösterecek hem de olay ufku üzerinden dolaylı olarak dolaşık olduğu için, daha önce kara deliğe düşen ikizinin içerideki bilgisini “aydınlatacak”.

Bu da iki dolaşıklığı birden görmemiz, yani aynı parçacığa ait “iki farklı bilgiye” sahip olmamız demek (hem ilk parçacığın olay ufkundaki halini hem de kara deliğin içindeki halini bileceğiz?). Bu bir paradoks ve fizikçiler bunu çözmek için kara delikleri saran olay ufkunda bir tür enerji alanı olduğunu düşündüler.

 

Ateş duvarını sorunu çözmek için fizikçiler icat etti

Bu enerji alanı kara deliğin dışındaki parçacıkların kara deliğin içindeki parçacıklarla olan bağını koparıyordu. Bu yüzden dışarıdaki parçacıklar zamanla kara deliğe düşse bile, olay ufkundan geçerken, kara deliğin içindeki parçacığa ait bilgileri olay ufkunun dışına kaydetmiyordu. Belki sadece olay ufkunun bizim göremediğimiz iç kısmı kara deliğin içindeki parçacıklara ait bilgileri içerebilirdi.

Sonuç olarak, orijinal kuantum dolaşıklığının (bağıntısının) kopması bir enerji patlamasına yol açıyordu. Bilim adamları bunu ateş duvarı² olarak adlandırdılar (gerçi, tek tek parçacıkların bağını koparan bu mikroskobik enerji patlamalarını çıplak gözle göremeyiz).

 

 

Oysa ateş duvarı sandığımızdan sıcak çıktı

Ateş duvarının enerjisini ölçtüğümüzde bu enerji alanının çok güçlü olduğunu anladık. Olay ufkundan geçen parçacıkları yok edecek kadar güçlü bir enerji alanı. İlk bakışta bunda sorun ne diyebilirsiniz. Parçacıklar yok olursa yukarıda anlattığımız enformasyon paradoksu da ortadan kalkar.

Ancak iki sorun var: a) Fizik kurallarına göre enformasyonu yok etmek imkansız. b) Parçacıklar olay ufkunda yok oluyorsa, kara deliklerin içine ne düşüyor? Sonuçta kara deliklerin uzaydaki gaz ve toz bulutlarını yuttukça kütle kazandığını ve büyüdüğünü biliyoruz. Kara deliklerin içine BİR ŞEYLER düşüyor. Bunlar enformasyon olmadan mı düşüyor? Bir şey hiçbir bilgi içermeden nasıl var olabilir?

 

Enformasyon paradoksu geri geldi

İlk olarak Joe Polchinski ve meslektaşlarının gösterdiği kara delik ateş duvarı paradoksu fizikçilerin kafasını karıştırdı. Görünüşe bakılırsa evren hakkında bildiğimiz iki temel kuraldan biri yanlıştı:

 

(1) Ya bir parçacığın kara deliğin dışındaki ve içindeki halini gösteren bilgiye aynı anda sahip olabilirdik –bir şeye ait iki zıt bilgiye aynı anda sahip olmak!– (2) veya enformasyonun korunumu ilkesi geçersizdi; kara delikler enformasyonu yok ediyor ve kara deliğin içinde başka bir enformasyon yaratıyordu.

 

 

Birinci olasılık doğruysa kuantum fiziğinin yanlış olması gerekiyor. Kuantum fiziği bugüne kadar bize atomaltı parçacıkların dünyasını açıkladı ve o kadar kesin deneylerle kanıtlandı ki kuantum fiziğini çöpe atmak, gözlerimizi çıkarıp atmak gibi bir şey.

İkinci ihtimal doğruysa kara delikleri görünmez bir ateş duvarı sardığını kabul etmemiz lazım. Öncelikle bu felsefede “saçmaya indirgeme” olarak adlandırdığımız bir yöntem ve felesfede son derece faydalı bir yöntem. Buna bir şeyin tersinin olamayacağını göstermek de diyebiliriz. Ancak bilimde dolaylı çıkarımlar yeterli değildir. Bize ateş duvarını gösteren deneysel kanıtlar lazım. Elimizdeki hesaplamalar böyle bir şey varsa bunun parçacıkları yok edeceğini söylüyor.

Üçüncü ihtimal ise elbette ki kara delikleri yeterince bilmediğimiz ihtimali. Bu durumda oturup yeni bir fizik geliştirmemiz gerekiyor. Nitekim fizikçiler bu günlerde California Üniversitesi Santa Barbara Kavli Enstitüsü’nde bu olasılıkları incelemek için toplanıyorlar².

 

 

Solucandelikleri

Yazının giriş kısmında belirttiğimiz gibi bu paradoksu gidermekle ilgili en ilginç öneri Juan Maldacena ve Leonard Susskind’den geldi. Mark Van Raamsdonk ile Brian Swingle’ın fikirlerinden yola çıkan bilim adamları, ateş duvarı paradoksunu “solucandelikleri” ile çözebileceklerini düşünüyorlar.

Kara deliklere düşen bir şey asla dışarı çıkamaz ve kara deliklerin içine düşen her şey, kara deliğin merkezindeki “tekilliğe ulaştığında” parçalanarak yok olur. Solucan deliklerine düşen bir astronot ise uzayda iki solucandeliği birbirine bağlıysa, ışıktan hızlı yolculuk ederek evrenin başka bir yerinde ortaya çıkabilir (örneğin uzak bir galakside) ya da zamanda seyahat ederek geçmişe gidebilir.

Bilim adamları kütleçekim kuvvetini tarif eden Görelilik Teorisini kuantum fiziğiyle birleştirmek için yıllardır uğraşıyor. Bugüne kadar başarılı olamadılar. Gerçi Maldacena gibi sicim teorisinden yola çıkarak kuantum kütleçekim kuramı geliştiren fizikçiler var; ama bunlar ne kadar popüler olsa da şimdilik genel kabul gören birer model, her yönüyle ispat edilmiş kuramlar değil.

 

Işıktan hızlı seyahat, zamanda yolculuk

Oysa solucandelikleri ışıktan hızlı yolculuğa ve zamanda seyahate izin veriyor. Kuantum fiziğindeki dolaşıklık kavramının da “bir anlamda” ışıktan hızlı etkileşime ve geçmişle uzak gelecek arasındaki ilişkilere izin verdiğini biliyoruz. Örneğin, şimdi gözüme giren bir foton 10 milyar ışık yolu uzaktaki bir galakside bulunan başka bir fotonla dolaşık olabilir!

Benim gözümdeki fotonun durumu değişirse, 10 milyar ışık yolu uzaktaki FOTONUN DA anında değişeceğinden emin olabilirsiniz. Hatta gözüme giren foton 13 milyar yıl önceki başka bir fotonla dolaşık olabilir (evrenin bebekliğiyle dolaşık olmak?).

Doğrusu solucandelikleri konusunu 90’lardan beri detaylı düşünmemiştim. O yıllarda televizyon dünyasında çok popülerdi solucandelikleri. Örnek verecek olursak, Uzay Yolu Gelecek Kuşak dizisinde iki uzaylı (tüccar Ferengiler) bir solucandeliğinden geçerek galaksinin uzak bir köşesinde kayboluyordu. Ancak, kara delik paradoksunu çözmek için bu gizemli nesnelere geri dönmek isteyen bilim adamları var.

 

 

Uzayda metro tüneli

Solucandelikleri uzaydaki iki noktayı birbirine bağlayan nesnelerdir. Üstelik bu nesneler tümüyle hayal ürünü değil. Solucandelikleri Einstein’ın genel görelilik denklemlerinden çıkıyor. Bu denklemlerin çözümlerinden biri, evrende solucandelikleri olması gerektiğini gösteriyor.

Aslında solucandeliği fikrini ortaya atan ilk bilim adamı da Einstein ve meslektaşı Nathan Rosen. Bu yüzden solucandeliklerine Einstein-Rosen köprüsü diyoruz. Solucan delikleri 5 milyar ışık yılı uzaktaki bir galaksiye birkaç saniyede gitmemizi sağlayabilen bir tür kısayol, bir tünel oluşturuyor.

 

Uzayda bir noktadan diğerine gitmek yerine; uzayın bir yerinde delik açarak, başka bir yerindeki delikten dışarı çıktığınızı düşünün. Bunu anlamak için bir printer kağıdının sağ ve sol tarafına birer nokta çizebilirsiniz. Bu iki noktayı da bir çizgi ile birleştirebilirsiniz. Ancak kağıdı noktalar üst üste gelecek şekilde katlarsanız, kalemin ucuyla iki noktayı birden delebilirsiniz! Solucandelikleri de uzayda bu tür bir kısa yol oluşturuyor.

Tabii bütün bunlar şimdilik teori. Solucan deliklerinden ancak “negatif enerjiye” sahip olan cisimler geçebilir. Bildiğimiz kadarıyla evrende negatif enerjiye sahip bir cisim, insan veya uzay gemisi yok. Uzayda solucandeliği açmak için de negatif enerji gerekiyor ve bu delikleri “birbirine nasıl bağlayacağımızı” da bilmiyoruz.

 

 

Dolaşıklığı solucandelikleriyle açıklamak

Bu yüzden Stargate SG-1 dizisindeki gibi solucandelikleriyle galaksinin uzak köşelerine gitmek şu anda olanaksız. Ancak, kuantum fiziğinde dolaşıklık diye bir olgu olduğunu söylemiştik. Buna göre birbirinden 5 milyar ışık yılı uzaktaki iki elektron birbirini anında etkileyebilir!

Oysa uzayda hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez ve yukarıdaki örnekte, bir elektronun diğerini etkilemesi için en az 5 milyar yıl beklemek gerekiyor. Bunun fizikte nasıl mümkün olduğunu bilmiyoruz ama bu durumun benzerlerini deneylerle defalarca gözlemledik. Dolaşıklık gerçek bir olay ve dolaşık elektronlar veya fotonlar birbirini ANINDA etkileyebiliyor. Kuantum ışınlama teknolojisi ve kuantum bilgisayarlar bu sayede geliştiriliyor!

Solucan delikleri de ışıktan hızlı yolculuğa izin verdiğine göre dolaşıklığın açıklaması bu olabilir mi? Dolaşıklığı solucandelikleri ile açıklarsak Hawking Radyasyonu ve kara deliklerde enformasyon paradoksunu çözebilir miyiz? Görelim. 🙂

 

 

Evrene farklı bir gözden bakmak

Maldacena ve Susskind’e göre iki kuantum parçacığı birbiriyle dolaşık olduğu zaman, aslında bunlar birbirine mikroskobik bir solucandeliği ile bağlanıyor. Şimdi bu parçacıkların sanal parçacık olduklarını ve içlerinden birinin kara deliğe düştüğünü, diğerinin Hawking Radyasyonu olarak uzaya kaçtığını düşünelim.

Bu durumda kara deliğe düşen parçacık ile uzaydaki diğer parçacığı bir solucandeliği birbirine bağlayacaktır. Bir astronot bu küçük solucandeliğine sığamaz, ayrıca bizde negatif enerji olmadığı için, solucandeliğini kullanarak kara deliğin içine giremeyiz ve kara deliğe düşen parçacığa neler olduğuna bakıp dışarı çıkamayız.

 

Buna rağmen solucandeliği uzaydaki ve kara delikteki iki parçacık arasında var olan dolaşıklığı koruyacaktır. Hatta dolaşıklık dediğimiz olgu solucandelikleri sayesinde mümkün olacaktır ama biz bu saklı bilgiyi okuyamayacağız. Maldacena ve Susskind, kara deliğe düşen parçacığın olay ufkunu kuşatan ateş duvarını solucandelikleri ile baypas edeceğini düşünüyor.

Böylece hem ateş duvarı kara deliğe düşen parçacığın bilgisini görmemizi engelleyecek hem de kara deliğe sonradan düşen ikinci parçacığın bilgisini koruyarak bunun da olay ufkuna kazınmasını sağlayacak. Kısacası, solucandelikleri enformasyonun korunumu yasasını “korumamızı” sağlayacak.

 

 

Solucandelikleri kara deliklere karşı

Elbette solucandeliği modeli “en uçuk” kuantum kütleçekim kuramlarından bile daha radikal bir fizik modeli ama önemli bir özelliği var: Kuantum fiziğinde uzaktan anında etkiyi, yani kuantum dolaşıklığını açıklayan (ne olduğunu gösteren değil, nasıl olduğunu açıklayan) tümüyle orijinal bir model.

Solucan delikleri evreni oluşturan temel parçacıkları yeniden düşünmemizi ve bunları yepyeni bir gözle görmemizi gerektiriyor. Solucandeliği modeli doğruysa, kuantum dolaşıklığını Einstein’ın görelilik teorisiyle açıklayabiliriz.

 

Bu durumda dolaşıklık hem lokal olmayan bir durum olma özelliğini koruyacaktır (uzaktan garip etki) hem de uzay-zaman dokusunda, uzay-zaman geometrisinde lokal olarak açıklanabilecektir (solucandelikleri sayesinde uzaktan etki). Çelişkiye düşmemek için uzay-zamanı bir kumaş, solucandeliklerini ise kumaşta açılan güve delikleri olarak düşünebiliriz.

Solucan delikleri evrenin uzak köşesindeki parçacıkları birbirine bağlıyor ve bu parçacıkların birbirini ışıktan hızlı olarak etkilemesini sağlıyor. Ancak solucandeliklerinin içinde ışıktan hızlı gitmek mümkün olmadığı için, parçacıklar birbirini ışık hızından daha hızlı giden bir sinyal göndermeden etkilemiş oluyor. Einstein’ın ışık hızı sınırı aşılmıyor.

 

 

Otostopçunun galaksi rehberi

Bugüne kadar, ışık hızı sınırı nedeniyle uzaydaki dolaşık parçacıkların birbirini sinyal göndermeden ve anında etkilediğini düşünüyorduk. İki parçacığın birbirini etkilemeden birbirine bağlı olması ve ışık hızı sınırına uymuyormuş gibi davranması görelilik teorisine aykırı bir durumdu. Şimdi bunun bir çözümü var… Var ama Maldacena’nın belirttiği üzere solucandeliği modeli, dolaşıklık olgusu gibi kanıtlanmış bir olay değil.

Teknik ifadesi ile Hawking Radyasyonu Einstein-Rosen köprülerinden geçebilir mi, geçerse solucandeliklerinden nasıl geçer ve iki parçacığı birbirine bağlayabilir mi, bunun için gereken negatif enerjiyi nereden bulabilir? Bunları bilmiyoruz. Ancak, solucandelikleri bunu başarıyorsa belki bir gün kendimize solucandelikleri açıp uzayda ve zamanda müthiş bir yolculuğa çıkabiliriz. Bunu da başka bir yazıda anlatalım dilerseniz.

 

Kuantum dolaşıklığı kısa film çalışması:

 

 

 

 

¹Cool horizons for entangled black holes: Juan Maldacena, Leonard Susskind (3 Temmuz 2013 (v1), son gözden geçirme 11 Temmuz 2013 (bu sürüm, v2) http://arxiv.org/abs/1306.0533

²Joe Polchinski on Black Holes, Complementarity, and Firewalls

³California Üniversitesi, Kavli Enstitüsü ateş duvarı paradoksu toplantısı tartışma videoları: http://online.kitp.ucsb.edu/online/fuzzorfire_m13/