Kara Delik Ateş Duvarı Bilgiyi Siliyor

Fizikte enerjinin korunması ilkesi enformasyonu korumayı da şart koşuyor. Oysa kara deliklerin dış sınırı olan olay ufkunun hemen altında yer alan ateş duvarı enformasyonu yok ediyor. Fizikçiler kara deliklerin yuttuğu cisimlerin bilgisini olay ufkunun hemen dışında sakladığını gösterdi. Oysa ateş duvarı kuantum dolanıklığı bozarak bilgiyi siliyor. Bizi ya enformasyondan ya da fiziğin temeli olan üniterlik ve tamamlayıcılık ilkelerinden vazgeçmeye zorlayan enformasyon paradoksunu görelim.

Enformasyon paradoksu geri geldi

Yazı dizimizin birinci bölümü olan Hawking Radyasyonunda gördüğümüz gibi, fizikçi Leonard Susskind, kara deliklerin enformasyonu yok etmediğini göstermek için son 50 yılda gelişimine büyük katkılarda bulunduğu sicim teorisini kullandı. Özünde kuantum dolanıklığı sicim teorisine göre formüle etti ve kara deliğe düşen şeylerin bilgisinin, olay ufkunun hemen üzerinde hapsolan fotonlara dolanıkla aktarılacağını gösterdi. Bu da çok normal:

Olay ufkunun hemen üzeri ışık hızında giden fotonlarla kaplıdır. Kara deliğe düşen astronot ve politikacıların bilgisi de kara deliğin üzerindeki bu parçacıklara kuantum dolanıkla aktarılabilir; yani bir astronot kara deliğin içindeki tekillikte yok olsa bile, ona ait bilgiler olay ufku üzerinde saklanacaktır.

Biz de kara deliklerin çapına göre maksimum entropiye sahip nesneler olduğundan yola çıkarak bunların evrendeki en yüksek sıkıştırmalı veri depolama sistemleri olduğunu görebiliriz. Ancak, tam Leonard Susskind enformasyonun kara delik yüzeyinin hemen üstünde korunduğunu göstermişti ki Hawking gibi geçen yıl aramızdan ayrılan Joseph Polchinski, bu kez de kara deliğin üzerinde hapsolan fotonların enformasyonu yok ettiğini gösterdi. Böylece enformasyon paradoksu geri geldi!

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Enformasyon silen ateş duvarı

Nasıl geri geldi derseniz: Kara deliğin dış sınırı olan olay ufkunda kaçış hızı ışık hızına ulaşıyor. Bu sebeple olay ufkuna yanlış açıyla ulaşan fotonlar kara deliğe düşmek yerine sonsuza dek, daha doğrusu kara delik buharlaşana dek kara delik çevresinde ve olay ufkunun tam üzerinde dönmek üzere tuzağa düşüyor.

Dolayısıyla olay ufku kara delik oluşur oluşmaz yüksek enerjili fotonlarla kaplanıyor ve zaman geçtikçe olay ufkunda yörüngeye giren foton sayısı sürekli artıyor. Bu da kara deliğin uzaya yayılmadığı için görünmez olan aşırı sıcak bir enerji alanıyla kaplanmasına neden oluyor. Buna ateş duvarı diyoruz.

Ve ateş duvarı bilgiyi yok ediyor!

Leonard Susskind kara deliğe düşen cisimlerin bilgisinin olay ufkunun hemen üzerindeki parçacıklara kazınacağını ortaya koydu; ama Polchinski, olay ufkunun hemen altında oluşacak fotonların çok sıcak olduğunu ve bilgiyi yakıp yok edeceğini gösterdi. Üstelik ateş duvarının oluşmasına Hawking radyasyonu yol açıyordu. Peki olay ufkunun üzerinde ve kara deliğin dışında oluşan bu ışınım, olay ufkunun altındaki ateş duvarına nasıl sebep olabilir? Bu sorunun yanıtı ateş duvarı kökeninde gizli:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Ateş duvarı nasıl oluşuyor?

Ayrıca nerede oluşuyor? Bunu anlamak için enformasyonun ne olduğunu hatırlayalım: Kara delik üzerinde korunan enformasyon kara deliğe düşen cisimlerin bilgisidir. Siz de olay ufkunda veya hemen altında bir ateş duvarı yaratırsanız kara deliğe düşen cisimleri yok ederseniz.

Üstelik sadece kara deliğe düşen madde ve enerjiyi imha etmekle kalmazsınız. Aynı zamanda bunlara ait olan enformasyonu da Susskind’in formüle ettiği kuantum dolanıklık yoluyla olay ufkunun üzerine aktarılmadan önce yok etmiş olursunuz.

Enformasyonun kara delik dışına dolanıkla aktarılması enformasyon paradoksunu anlamakta çok önemlidir. Nitekim kuantum dolanıklık, ışıktan hızlı iletişime izin vermese de görünüşte ışıktan hızlı etkileşime izin veren ve aynı zamanda kuantum tünelleme olgusuna benzeyen bir özelliktir.

Öyle ki ateş duvarının öncelikle kara deliğe düşen parçacıklarla kara deliğin dışı arasındaki dolanıklığı bozduğunu söyleyebiliriz. Bunun da çok ağır sonuçları olacaktır: Ateş duvarı varsa olay ufku kara deliklerin içine düşen cisimlerin bilgisini, kara delik Hawking radyasyonu ile buharlaşmadan çok önce, aslında anında yok edecektir. Peki ateş duvarı dolanıklığı nasıl bozuyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum dolanıklık çelişkisi yaratarak

Hawking radyasyonu ile enformasyon paradoksu arasındaki ilişkinin temellerini holografik evren ve enformasyon paradoksu yazılarında anlattım. Ancak, kısaca söylersek sorun sadece ateş duvarının kara deliğe düşen bütün parçacıkları yakıp yok etmesi değil.

Asıl sorun Hawking radyasyonu ve kara delik üzerinde asılı kalan bir astronotun göreceği Unruh radyasyonunun, kara delik yüzeyindeki belirli bir noktadan kaynaklanmıyor olmasıdır. Söz konusu ışınım lokal olmadığı için kara deliğin tamamından geliyor. Dahası Hawking radyasyonunun bu özelliği de kuantum fiziğinin temel olgusu olan dolanıklıktan kaynaklanıyor:

Düşünün ki kara deliğe düşen parçacıkların bilgisini enformasyonla koruyoruz. Oysa bu durumda; olay ufkunun üzerinde yer alan ve kara deliğe düşen parçacıkların bilgisini saklaması beklenen parçacıklar sadece onlarla değil, Hawking radyasyonunu tanımlayan denklem uyarınca, aslında kara deliğin tamamıyla dolanık olacaktır. Bu bir çelişkidir; çünkü Hawking ışınımı kara delik bilgisi içermez.

Bu nasıl oluyor derseniz: Hawking radyasyonu (her ne kadar bu radyasyonun doğru tanımı olmasa da) matematiksel açıdan ve kaçınılmaz olarak yeni parçacıklar yaratır. Bu parçacıklar kara delik bilgisi içermese de artık kara deliğin dışındaki uzayın bir parçası olurlar. Dahası içlerinden bazıları olay ufkunun üzerinde yer alır. Üstelik bunlar kara deliğin tamamıyla dolanıktır.

Ateş duvarı paradoksu

Oysa kara deliğe düşen cisimlerin bilgisi, dolanıklık yoluyla sadece kara deliğin dışında yer alan ve teorik olarak kuantum durumu ölçülebilen tek tek parçacıklara kodlanabilir. Hawking radyasyonunun yarattığı sanal parçacık çiftlerinden birinin kara deliğe düşmesiyle diğerinin dış uzayda gerçeklik kazanması ise bu kuralı çiğniyor; çünkü gerçeklik kazanan yeni parçacıklar, Hawking radyasyonundaki belirsizlik yüzünden kara deliğin tamamıyla dolanık olacaktır. Bu bir paradoks oluşturuyor; çünkü:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Kuantum fiziği tek eşlidir

Bundan kastımız, bir parçacığın aynı anda sadece tek bir fiziksel sistemle dolanıklığa girebilecek olmasıdır. Ancak, gördük ki kara deliğin dışında iki farklı parçacık grubu bulunuyor:

Bunlardan biri, başından beri kara deliğin dışında olan ve kara deliğin içine düşen parçacıkların bilgisini kodlayabildiğimiz normal parçacıklardır. Bunlar normaldir; çünkü kara deliğin içine düşen parçacıklarla teorik olarak tek tek dolanık olabilirler.

Öte yandan kara deliğin dışında bir de Hawking radyasyonuyla oluşan parçacıklar var. Bunlar ise yukarıda anlatılan sebeplerle kara deliğin tamamıyla dolanık olup kara deliğe dair hiçbir bilgi içermezler. Hawking radyasyonu lokal olmadığı için teorik olarak kara deliğe dair hiçbir bilgi de içeremezler. Kısacası Hawking radyasyonu kara deliğe düşen parçacıkların bilgisini saklayamaz.

Oysa Polchinski gösterdi ki kara deliğe düşen cisimlerin bilgisi, kara deliğin dışında yer alan her iki parçacık grubuna da kodlanmalıdır. İşte bu kuantum fiziğindeki tek eşlilik ilkesini bozuyor ve bir parçacığı aynı anda iki ayrı fiziksel sistemle (iki ayrı evren, belirsiz Hawking radyasyonu ve belirli normal kuantum parçacıkları, termodinamik olarak kapalı iki ayrı sistem vb.) dolanık olmaya zorluyor. İşte ateş duvarı kuantum dolanıklığı bozarak enformasyonu siliyor derken bunu söylemek istiyoruz.

Peki ateşi nereden geliyor?

Bunun iki açıklaması var: 1) Mademki bir parçacık aynı anda iki ayrı fiziksel sistemle dolanık olamaz öyleyse evren kara deliğe düşen cisimlerin kara deliğin dışıyla dolanık olmasını engelleyecektir. Bunu da olay ufku veya hemen altında ateş duvarı yaratarak yapacaktır. Ateş duvarı bir yoruma göre kara deliğe düşen parçacıkları yakacak veya diğer yoruma göre dolanıklığı bozacaktır. Her iki durumda da enformasyon yok olacaktır. Oysa Hawking ışınımı gibi bunun da daha doğru bir açıklaması bulunuyor:

İlgili yazı: Halka Kuantum Kütleçekim Kuramı Nedir?

 

Kara deliğin saçı yok

Klasik kuantum fiziği uyarınca kara deliklerin dış sınırı olan, ama aslında fiziksel bir sınır olmayan olay ufku, fizikte drama yapma (no drama) şartı uyarınca sakin ve soğuk bir yerdir. Bu sebeple kara deliğe düşen parçacıklar dış uzaydaki parçacıklarla Susskind’in dediği gibi dolanık olabilir. Oysa kara deliğin dışındaki Hawking ışınımı yüzünden, bu ışınımı oluşturan belirsiz parçacıklarla da dolanıklığa girerler.

Bu durum tek eşlilik ilkesini bozar; çünkü maksimum dolanıklık durumundaki bir parçacık sadece tek bir parçacıkla dolanık olabilir. Maksimum dolanıklıkta kuantum fiziği çok eşli değildir. Bu durumda kara deliklerin olay ufku da uzay boşluğu kadar sakin bir yer olamaz. Hele Susskind’in enformasyonu kara deliğin dışında tam dolanıklık, yani maksimum dolanıkla koruduğunu düşünürsek hiç olmaz.

Peki kara deliğin içi ile dışı arasındaki dolanıklığı bozarsanız ne olur? Olay ufkunun hemen altında sadece görelilik teorisi uyarınca değil, aynı zamanda kuantum fiziği uyarınca ikinci bir ufuk yaratmış olursunuz. Biri kara deliğin dış sınırı olan klasik olay ufku ve diğeri de kara deliğin içiyle dışı arasındaki dolanıklığın koptuğu kuantum ufuk. Peki bu ne anlama geliyor?

Bu olay ufkunun hemen altındaki dolanıklık ufkunun Unruh etkisi yaratacağı anlamına geliyor. Sonuçta bütün olay ufukları kuantum ölçümü yapamadığımız yerlerde belirir. Bu da ister olay ufkunun iç yüzeyi olsun, ister dışı büyük belirsizliğe yol açar. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi uyarınca boşluktaki kuantum salınımları; yani enerji düzeyi artar ve bu da yeni sıcak parçacıkların oluşmasına yol açar.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Unruh etkisi ve ateş duvarı

Kara deliğin olay ufkunun iç yüzeyinde meydana gelen Unruh etkisi, kara deliğin yüksek yerçekimi yüzünden aşırı enerjik bir ateş duvarı yaratacaktır. Leonard Susskind ve meslektaşı Juan Maldacena, bu ateş duvarının dolanıklığın bozulmasından kaynaklandığını anladılar. Aynı zamanda enformasyonu korumak için klasik kuantum dolanıklığından yararlanamayacaklarını da gördüler.

Klasik dolanıklık Polchinski’nin ateş duvarına yol açıyordu. Öte yandan, enformasyon paradoksu yazısında belirttiğim gibi eğer kuantum dolanıklığı (uzaktan etki, EPR) solucandelikleriyle açıklarsak (Einstein-Rosen Köprüleri, ER) kara deliklerde ateş duvarının oluşmasını önleyebileceklerini anladılar.

Ardından bu yeni fikri bilim dünyası ile paylaştılar: ER=EPR. Böylece Polchinski’nin söz ettiği ateş duvarının oluşmadığını gösteren bir açıklama buldular. Peki Susskind ve Maldacena enformasyon paradoksunu kesin olarak çözdü mü? Aslında değil. Çözümün önemli eksiklikleri var:

• Bu teori henüz kanıtlanmadı ve yine kanıtlanmamış olan sicim teorisine dayanıyor.
• CERN parçacık hızlandırıcısı sicim teorisinde öngörülen süpersimetrik parçacıkları görmediği için teori zaten zor durumda.
• Solucandelikleri ve mikroskobik solucandelikleri Einstein’ın genel görelilik teorisinin özel bir çözümü olmakla birlikte henüz kanıtlanmadı.
• ER=EPR sadece maksimum kuantum dolanıklık ve mikroskobik solucandelikleri için geçerli. Oysa diğer dolanıklık türleri yüzünden yine de ateş duvarı oluşuyor olabilir.
• Kara deliklerin saçı olmadığını gösteren son araştırma sicim teorisinin kara delik versiyonunun doğru olmadığını gösterdi. Bu Susskind’in teorisini çürütebilir.

İlgili yazı: Evren İçi Boş Bir Hologram mı?

 

Ateş duvarı için sonsöz

Hem yazımızın önceki bölümü olan Kara Delikler Nasıl Buharlaşıyor başlığında, hem de bu bölümde Hawking ışınımıyla ateş duvarını birden fazla örnekle açıkladım ve farklı tanımlarını verdim. Bunun nedeni, elimizde tüm evreni açıklayan bir her şeyin teorisi ve kuantum kütleçekim kuramı olmamasıdır.

O zaman da fizikçiler kuantum dolanıklık mikroskobik solucandelikleriyle mi oluşur gibi soruların cevabını kesin bilemiyor. Öyle olunca da birden fazla açıklamaya başvuruyor. Bu durun kara delikler ile olay ufkunun aynı madalyonun farklı yüzleri gibi görünmesine neden oluyor.

Doğruyu söylemek gerekirse bizim negatif enerji, karanlık enerji, negatif kütle, tekillik, kuantum kütleçekim, zamanı silen kuantum silgisi deneyi ve soğuk büyük patlamanın sebebi gibi en temel fizik problemlerini çözmeden enformasyon paradoksunu gidermemiz çok zor görünüyor. Yine de bilimden sapmadan ve yılmadan karanlıkları mum ışığıyla aydınlatacağız.

Aynası iştir kişinin, lafa bakılmaz ilkesi uyarırca ben de yarın Bursa’da ve akabinde Gümüşhane, Karadeniz Teknik ile Trabzon Üniversitelerinde dijital dönüşüm, endüstri 4.0, dijital girişimcilik & iş geliştirme konularında bir dizi konferans vereceğim. Yazılar da tüm hızıyla sürecek; ama bilinki bilgi önce vicdandır.

Ateş duvarı ve enformasyon paradoksu

¹Black Holes: Complementarity or Firewalls?
²Cool horizons for entangled black holes