Hawking ve Enformasyon Paradoksu

1-Karadelik nedir

Son günlerde ünlü fizikçi Stephan Hawking karadelikler ile ilgili bir makale yayınladı bilim çevrelerinde kıyamet koptu. Gelişmiş ülkelerde TV kanalları bilim ve teknoloji dergileri konuya geniş yer verdi. Biz de, haddimiz olmayarak işin içine dalalım dedik, ünlü bilim adamını, eskiden olduğu gibi, eleştirdik. Tartışmayı, ülkemizin kapalı gişe oynayan paralel devlet ve yolsuzluk tartışmalarından arta kalan zamanda, belki bir rol kaparız beklentisi ile bilimsel gelişmelere duyarlı sizlerin dikkatine sunmak istedik. Umarım okur ve beğenirsiniz.

Ceviz büyüklüğünde bir taş parçasını yukarı fırlatsanız taş bir miktar yükselir, bir an durur ve sonra düşmeye başlar. Aynı büyüklükteki taşı sapanla fırlatırsanız daha yükseğe çıkar fakat sonra yine geri döner. Ne kadar büyük veya ne kadar küçük ne olursa olsun hangi nesneyi hangi enerji ile fırlatırsanız fırlatınız, yer çekim-alanının içinde kaldığı sürece her cisim mutlaka yeryüzüne geri döner, yani düşer. Benzer deneyi bir el fenerinden çıkan ışık demeti ile tekrarlasanız, ışık görebildiğiniz kadar yükseğe çıkar fakat taş gibi geri dönmez. Devasa füzeleri uçakları kendine çeken yer küre basit bir el fenerinden çıkan ışığı kendine çekemez. Yer kürenin bir an için futbol topu büyüklüğünde bir hacim içine sıkıştırıldığını düşünelim, bu teorik olarak mümkündür, çok güçlü bir kütle-çekim alanı oluşturur, el fenerinden çıkan ışık bu durumda bükülür ve geri döner. Yıldızlar sahip oldukları hidrojeni yakıp bitirince enerji üretimleri sona erer. Bu aşamaya gelen yıldız ayakta kalamaz; kütle-çekim kuvvetinin etkisi ile kendi üzerlerine çöker. Tüm kütle çok küçük bir hacıma sıkışır. Devasa bir yıldızın maddesel varlığı küçük hacımlara sıkışınca inanılmaz şiddete bir kütle-çekim alanı oluştur. Karadelik denilen kozmik hortumcular böyle bir mekanizma ile meydana gelir. İşin şakası değil el fenerinden çıkan ışığı, banka hesaplarını bile hortumlar.

Madde veya ışıma böyle bir oluşumun etki alanı içine girerse kozmik bir zindana düşer, klasik fiziğe göre, geri dönemez ve kendinden haber alınamaz. Bu sınıra olay ufku denir. Bu ufku geçen bir nesneden yayınlanan sinyalin, yani bilginin, ufkun dışına çıkabilmesi için sinyalin ışıktan daha hızlı gitmesi gerekir. Bu ise Einstein görelilik yasalarına aykırıdır. Olay ufkunda yani tam sınırda bir uzay gemisi sonsuza kadar beklese içerden gelen bir sinyali yakalayamaz. Orası içi görünmeyen kap kara bir kör kuyudur.

2-Hawking ışıması

Şimdi olayı doğa yasalarına göre analiz edelim. Karadelik çekim alanına giren her nesneyi çekip içine aldığına göre enerjisinin artması gerekir. Termodinamik yasalarına göre, entropisi de artar. Bu durumda karadelik kozmik ortam ile termodinamik dengede bulunamaz. Hawking-Bekentein karadelik entropisi ile olay ufkunun sınırlarını çizen hiper-yüzeyin alanı arasındaki ilişkiyi ünlü formülü ile ifade ederek everenin anlaşılmaz gizemine açıklık getirmişlerdir. Sonuç olarak karadeliklerin termal enerji içerdikleri anlaşılmıştır, ne kadar soğuk olurlarsa olsunlar mutlak sıfır noktasından daha sıcaktırlar. Buna göre termal ışıma yapmaları gerekir; buna Hawking Işıması denir. Bu olağanüstü bir keşiftir. Buna rağmen betimlemenin tartışmalı bir tarafı vardır.

3-Karadeliklerde Tamamlayıcılık(Black Hole Complmentarity)

Kuantum fiziğinde sistemin kimi özellikleri bir birini tamamlayarak bir bütün oluşturur. Buna Complmentarity veya tamamlayıcılık denir. Örneğin elektromanyetik dalgalar yüksek frekans bandında parçacık düşük frekanslarda dalga özelliği gösterir. Dalga ve parçacık özellikleri birbirini tamamlar. Elektromanyetik dalgalarındaki dualite olarak bilinen bütününü oluşturur. Kuantum fiziği ve genel çekim kuramı karadeliklerin anlaşılmasında birbirlerini tamamlar. Bu tamamlama da, görelik ve kuantum fiziğinin aynı anda ve aynı boyutta geçerli olduğu bir kuram yani Kuantum Graviti kuramı yani her şeyin teorisi bulunamadığı için, karadeliklere tam bir açıklama getiremez. Karadeliğin olay ufkunda konumlanmış gözlemci Hawking ışımasının bilgi taşıdığını, çekim alanında kalan parçacıkta bulunan gözlemcide Karadeliğin merkezine düşmekte olan parçacığın bilgi taşıdığını görür. Her iki gözlemcide bulundukları konuma göre yorumlarda haklıdır. Kendileri dışında meydana gelen olayların tamamlayıcı açıklamalarını yapmış olmaktadırlar. Teorik olarak deney, olay ufkunda konumlana gözlemcinin karadeliğe bir madde fırlatması ve meydana gelen olayları gözlemlemesi olarak düşünülür.

4-Enformasyon Paradoksu

Hawking karadeliğin ışıma yaparak yok olmasının bilginin buharlaşması olarak yorumlar. Leonard Susskind ve Gerard Hoft (Bir önceki sene Nobel ödülünü alan Teorik fizikçi) ise buna şiddetle karşı çıkar. Tartışma o günlerden beri sürüp gider, şimdi gelelim günümüzdeki tartışmaya.

Hawking söylenenlerin yazılanların aksine, 'karadelikler yoktur' gibi bir sonuç çıkartmıyor, son makalesinde, sadece bir paradoksu işaret ediyor. 1976 tarihli makalesinde eğer karadelikler garavitasyon çöküş sürecinde bir olay ufku oluşturuyorlarsa, ufku aşarak dışarı çıkan enerjinin tek bir kuantum durumundan meydana gelmemiş olması gerektiğini söyler. Simetri teorilerinin öngördüğü şekilde karadelik arkasında bir kalıntı bırakmadan kozmik ortamda yok oluyorsa, tek bir kuantum durumundan üst üste binmiş kuantum durumuna geçiş yapmış demektir bu ise unitarite simetrisini kırılması sonucunu doğurur. 2013 makalesinde J.Polchinsi ve arkadaşları, Enformasyon paradoksu açıklamak için karadeliğe yönelişlerin olay ufkunda bir ateş duvarı ile karşılaştığını ileri sürdüler. Tartışmalar bu ateş duvarı mekanizması üzerinde sürüp gitmektedir.

Olay ufkundan Hawking ışıması olarak dışarı çıkabilen parçacık yani foton ile karadeliğe düşen parçacığın kuantum dolanık durumunda olduğu düşünülmektedir. Leonrad Susskind ve Gerard Hoft, olay ufkun aşan parçacığın karadeliğin önceki Hawking ışımaları ile de kuantum dolanık durumda olduklarını göstermiştir. Bu bilginin buharlaşmadığı anlamına gelir, esasında bilgi korunumu çok daha derin mantık içerikli (bilginin yok olması unitarite ilkesine aykırıdır) anlam taşır. Karadeliğe düşen enerji formatında bilgi yok olamaz.

Bu durum iki parçacık arasında oluşan Kuantum Dolanıklığın biri birinden bağımsız ikiden fazla parçacık arasında da meydana geldiği şeklinde farklı bir problem doğurur. Dolayısıyla olay ufkunu terk eden parçacığın karadeliğe düşen parçacık ve Hawking ışıması ile aynı anda kuantum dolanık olması kuantum fiziğine göre olanaksızdır. 2012 de ortaya çıkan paradoksu çözebilmek için Einstein eşdeğerlik ilkesine veya unitarite ilkesine veya kuantum alanlar teorisine başvurulur.

Teorik olarak bir gözlemcinin olay ufkunu geçtiğinde, çok şiddetli kütle çekiminin etkisi altında ateş topuna dönüştüğü düşünülür. Ufuk çizgisi üzerinde yüksek frekanslı ışıma yeni bir kunta yaratır. Bu aşmada kimi yüksek enerji fizikçileri olay ufkunu aşan ve karadeliğe düşen parçacık arasındaki kuantum dolanıklık durumunun bozulduğunu ileri sürdüler. Kuantum dolanıklık durumunun bozulması ile açığa çıkan inanılmaz büyüklükteki enerjinin ateş duvarı oluşturduğunu iddia ettiler. Böylece ikiden fazla parçacık arasında kuantum dolanıklık durum iki parçacığa indirgenmiş olur. Yani problem çözülmüş olur. Ancak bu karmaşık problemin çözümü bu kadar kolay değildir. Bu doktora yapan bir fizikçinin dahi aklına gelebilir. Ceket olmadı pantolon verelim gibi bir şeydir.

Paradoksun ateş duvarı ile açıklanması eşdeğerlilik ilkesine aykırıdır. Bu öneriyi yapanlar koskoca Einstein kuramını göz ardı etmişlerdir. Eşdeğerlilik ilkesine göre, kütle-çekim etkisi altında serbest düşen parçacık boş uzayda yüzen parçacıktan ayırt edilemez. Bu boş uzayda ateş duvarının oluşamayacağı anlamına gelir. Kimi kozmolojist veya yüksek enerji fizikçileri kuantum dolanıklığa başvurmadan paradoksu çözmeye çalışmaktadırlar. Bu yaklaşım ise bilginin kayıp olması gibi unitarite ilkesine aykırı durumlar doğurur. Hawking ile bu konuda farklı düşünen Susskind karadeliğe düşen ve olay ufkunu aşıp dışarı çıkan parçacıklar arasındaki ilişkinin bir kurt deliği ile sağlandığını ileri sürer. Kurt deliği çok şiddetli kütle-çekim alanının uzay-zamanı bükmesi ile oluşan kısa yolardır. Kanımca paradoks kurt deliği ile açıklanabilir.