Informatie kan niet verloren gaan

Eén van de grondregels in de natuurkunde is dat informatie in het universum niet vernietigd kan worden.

Door drs. Robert de Jong



Je kunt het verleden reconstrueren uit een nu bestaand natuurkundig proces. Als je b.v. de massa, de snelheid en de richting van die snelheid van de planeet Mars meet en dus weet, dan heb je alle informatie van deze planeet in handen om te weten waar deze planeet vroeger was, en met welke snelheid en snelheidsrichting deze planeet in het verleden om de Zon ging. Ook de toekomst van de planeet is als zodanig bekend. (We gaan er even voor het gemak vanuit dat dit een twee lichamenprobleem is).

Echter sinds Stephen Hawking in de 70er jaren van de 20e eeuw voorstelde dat zwarte gaten kunnen verdampen, leek het alsof informatie wel kon verdwijnen in het universum. De informatie van een gas of hemelobject gaat naar binnen toe, maar komt er nooit meer uit in welke vorm dan ook. Tot nu toe werd altijd gedacht dat zwarte gaten hele eenvoudige hemelobjecten zijn. Een zwart gat heeft volgens John Archibald Wheeler (60er jaren) slechts drie eigenschappen:

Dat betekent wel dat alle informatie die het zwarte gat opslokt, nooit meer aan het universum terug gegeven wordt. En daarmee is de zwarte gat informatie paradox geboren. Hawking gaf ons een oplossing, maar tegelijk ook weer een nieuw probleem.

Wetenschappers hebben tot nu toe geprobeerd deze paradox op te lossen door ergens een manier te verzinnen dat de informatie die in het zwarte gat is opgeslagen mee verdampt. Op die manier wordt de informatie weer teruggegeven aan het universum en verdwijnt dus niet. Dat is een extreem lastige theoretische klus, want het verdampen van zwarte gaten heeft alles te maken met de quantum-mechanische wetten en in dit geval heb je dan ook nog eens de zwaartekrachtwetten nodig, ofwel dit is het onderwerp “Quantumzwaartekracht” wat nog in de kinderschoenenstaat. Zelfs de stringtheorie lost niet alle theoretische problemen op van de Quantumzwaartekracht. Het mag je dan ook niet verbazen dat de wetenschap nog met lege handen staat. Het leek erop dat de relativiteitsleer bij zwarte gaten niet goed toepasbaar was, of juist de quantummechanica daar niet toepasbaar is als zodanig. Echter nu blijkt dat beiden overeind blijven.

Na een halve eeuw zoeken naar een theoretische oplossing werd met berekeningen aangetoond dat het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat de informatie behoudt van de materie die in het zwarte gat viel, en wel tot voorbij de waarneemhorizon. Het wordt “quantum haar” genoemd, de 4e eigenschap van een zwart gat. Dit “quantum haar”, en dus de oorspronkelijke informatie waar dat vandaan komt, blijft in het zwaartekrachtsveld zitten en is de oplossing van de paradox.

Volgens Roberto Casadio, professor van de Theoretical Physics van de Universiteit van Bologna geeft aan dat een zwart gat ontstaan is uit een ‘normaal’ maar compact hemelobject. Daarbij blijft de binnenkant en de buitenkant van een zwart gat met elkaar verbonden via de quantumtheorie van de entanglement / verstrengeling. Verstrengeling betekent dat een tweetal deeltjes die op grote afstand van elkaar zijn, toch elkaars lot delen. Er is met verstrengeling geen absolute scheiding mogelijk tussen binnen en buiten het zwarte gat, aldus de quantummechanica. In de klassieke theorie is de waarneemhorizon als een membraam de scheiding tussen beiden. Maar bij de quantummechanica blijft de binnen- en de buitenkant met elkaar verbonden vanwege de eigenschap van de verstrengeling. Als er buiten wat gebeurt, dan heeft dat gevolgen voor wat er binnen aan de hand is, en andersom.

Er zijn berekeningen uitgevoerd van de verstrengelingsentropie. Dit is de hoeveelheid informatie die zich in de verstrengelde Hawkingstraling bevindt. Deze neemt altijd toe totdat het zwarte gat verdampt is volgens Hawking. Maar nu is berekend dat zwarte gaten weldegelijk informatie vergeven. Daarmee groeit de verstrengde entropie om ergens halverwege het verdampen weer af te nemen tot het uiteindelijk weer een verstrengelde entropie van nul wordt, ofwel alle informatie in het zwarte gat is weer ontsnapt in het universum.

Dit alles is alleen mogelijk als er net onder de waarneemhorizon, waar het zwarte gat verdampt nog een quantum oppervlak bestaat (Page 1992/ 1-dimensionaal model). Dit oppervlak regelt het verlaten van de informatie uit het zwarte gat. Halverwege het verdampen wordt dit oppervlak steeds belangrijker.

Er is nog iets bijzonders nodig (Goto 2022/ meer dimensionaal model). Dat zijn een grote hoeveelheid wormgaten die het quantumoppervlak verbindt met de waarneemhorizon. Alleen dan kan de informatie door de waarneemhorizon heen komen. (Dit zijn niet de wormgaten die al zo lang bekend zijn, waarmee je een tweetal delen van het universum met een shortcut zou moeten kunnen verbinden).

Ook nu wordt het stokje weer doorgegeven. De paradox mag dan nu een theoretisch antwoord hebben, maar dat wil niet zeggen dat het geheel onbekend is welk mechanisme nu ervoor zorgt dat de binnenkant weer buiten komt. Uiteindelijk ontkomen we er niet aan dat er eerst een eenduidige en zich bewezen theorie moet ontstaan over de quantum zwaartekracht om deze verstrengelde Hawking informatie meer handen en voeten te geven.

Meer lezen van drs. Robert de Jong:

Robert de Jong studeerde van 1982 tot en met 1988 Astronomie aan de Universiteit van Utrecht. Nadat hij zijn opleiding heeft voltooid neemt zijn carrière een verrassende wending. Hij kiest voor de ICT gaat werken voor het softwarebedrijf Baan. Binnen dit bedrijf, dat later zou worden overgenomen door de Amerikaanse software gigant Infor begint hij als programmeur en groeit hij door tot Senior Solution Architect. Zijn liefde en passie voor het vak Astronomie heeft hij echter nooit verloren.
In 1998 start hij samen met een aantal waarneem vrienden Sterrenvereniging Astra Alteria in Putten. Al snel neemt hij de rol van Voorzitter voor zijn rekening en in die hoedanigheid probeert hij het prachtige vak sterrenkunde voor een groter publiek toegankelijk te maken. Robert is een ‘kar trekker’ pur sang. Hij mobiliseert vrijwilligers, organiseert lezingen en waarneemavonden, stelt cursussen en lesmateriaal samen, ontwikkeld een website en ledenportaal bezoekt scholen en weet als geen ander de media te bereiken. De vereniging groeit dan ook flink onder zijn leiding en ontplooit zelfs activiteiten in Ede. In 2010 wordt Sterrenvereniging Astra Alteria, werkzaam in de regio Gelderland: Noordwest-Veluwe en Gelderse Vallei, door het bestuur van de KNWS als nieuwe erkend. Door zijn vele werkzaamheden in het buitenland is Robert de afgelopen jaren meer naar de achtergrond getreden, maar is nog steeds een ambassadeur van de vereniging.


Afdrukken