Wat hebben baseball en zwarte gaten met elkaar te maken? Alles als je John Preskill heet. Preskill is een theoretisch natuurkundige van het prestigieuze California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena. Zeven jaar geleden ging hij een weddenschap aan met zijn Caltech-collega Kip Thorne en met de wereldberoemde Cambridge-natuurkundige Stephen Hawking. Thorne en Hawking beweerden dat er via zwarte gaten informatie wegsijpelt uit het heelal. Preskill wilde daar niets van weten. Op woensdag 21 juli gooide Hawking de handdoek in de ring. ‘Ik geef toe dat ik de weddenschap heb verloren,’ aldus de zwaar gehandicapte geleerde. De prijs die Preskill in de wacht sleepte: een exemplaar van een Amerikaanse baseball-encyclopedie.

Impressie zwart gat in een gaswolk.

Tomoharu Oka/Keio University

Grootste genie sinds Einstein

Wereldwijd werd het bericht opgepikt door vrijwel alle kranten en de meeste tv-stations. Geen wonder: Hawking (auteur van de megabestseller ‘A brief history of time’) is volgens sommigen het grootste genie sinds Albert Einstein, en geen enkel onderwerp binnen de natuurkunde spreekt zo tot de verbeelding als zwarte gaten. Maar de berichtgeving beperkte zich in de meeste gevallen tot de weddenschap en de baseball-encyclopedie, want het gaat hier bepaald niet om materie die je gemakkelijk kunt uitleggen aan de gemiddelde krantenlezer.

De eerste van de drie hoofdrolspelers in het verhaal is Stephen Hawking. Hawking werd in 1942 geboren, en is sinds 1977 hoogleraar toegepaste wiskunde en theoretische fysica aan de universiteit van Cambridge. Tijdens zijn studie werd vastgesteld dat hij lijdt aan amyotrofe laterale sclerosis (ASL, ook wel Lou Gehrig’s disease genoemd), een slopende en ongeneeslijke zenuwziekte. Als gevolg daarvan kan hij vrijwel geen enkele spier in zijn lichaam bewegen. Hij is gekluisterd aan een rolstoel, en communiceert via een spraaksynthesizer.

Stephen Hawking tijdens een zogenoemde paraboolvlucht waarbij de passagiers gewichtsloos zijn.

NASA

Met Hawkings geestelijke vermogens is echter niets mis; integendeel. Hij specialiseerde zich op theoretisch onderzoek aan supersterke zwaartekrachtsvelden, zwarte gaten en de oorsprong van het heelal. Om de studie van zijn dochter te bekostigen, schreef hij in 1988 een populair-wetenschappelijk boek over zijn werk (‘A brief history of time’, in het Nederlands vertaald als ‘Het heelal’), dat vele jarenlang op de bestsellerlijst stond en in tientallen talen is vertaald. In 1974 kwam Hawking met de opzienbarende theorie dat zwarte gaten niet echt zwart zijn, en vier jaar later ontving hij de Albert Einstein Award – een soort Nobelprijs voor theoretische natuurkunde.

Het zwarte gat is de tweede hoofdrolspeler in het relaas. Zwarte gaten worden voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein, en aan die voorspelling wordt door vrijwel niemand meer getwijfeld: sterrenkundig onderzoek heeft tal van overtuigende aanwijzingen opgeleverd voor het bestaan van zwarte gaten. Simpel gezegd is een zwart gat een (bolvormig) gebied in het heelal waarbinnen de zwaartekracht zo sterk is dat er niets uit kan ontsnappen. Zelfs licht, met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde, blijft gevangen in een zwart gat. Er bestaat dus geen enkele manier om erachter te komen wat zich binnen de horizon van een zwart gat afspeelt.

Luilekkerland voor theoretici

Een luilekkerland dus voor theoretisch fysici. Als er geen waarnemingen mogelijk zijn die beperkingen opleggen aan je theorieën, kun je ongebreideld fantaseren over wat zich in het binnenste van een zwart gat afspeelt. De meeste theorieën voorspellen dat zich in de kern van een zwart gat een zogeheten singulariteit bevindt: een dimensieloos punt met een oneindig hoge dichtheid, vergelijkbaar met de singulariteit waaruit een kleine 14 miljard jaar geleden het heelal zou zijn ontstaan. Die onverwachte overeenkomst tussen zwarte gaten en de oerknal heeft weer geleid tot allerlei kosmologische speculaties. Zo was Hawking een van de theoretici die van mening waren dat een zwart gat in ons heelal een soort navelstreng vormde naar een nieuw babyheelal.

De derde hoofdrolspeler in het baseball-en-zwarte-gaten-verhaal is informatie – een begrip dat in de kwantummechanica een veel specifiekere betekenis heeft dan in het dagelijks leven. De kwantummechanica is de uiterst succesvolle theorie die het gedrag van elementaire deeltjes beschrijft. Hoewel de formules uit de kwantummechanica zo complex zijn dat tot nu toe alleen de simpelste atomen volledig zijn ‘doorgerekend’, is het in principe mogelijk om elk samenstel van elementaire deeltjes (dus ook een uraniumatoom, een DNA-molecuul en een pantoffeldiertje) volledig te beschrijven met de golfvergelijkingen van de kwantummechanica.

Het bijzondere van die vergelijkingen is dat ze volledig symmetrisch zijn in de tijd. Met andere woorden: je kunt de formules gebruiken om de toekomst van een bepaald kwantummechanisch systeem exact te berekenen, maar net zo gemakkelijk kun je die berekeningen andersom uitvoeren, en het verleden achterhalen. In die zin gaat informatie over het verleden eigenlijk nooit verloren. Die ‘wet van behoud van informatie’ is een belangrijk onderdeel van de quantummechanica. Overigens gaat het om een louter theoretische aangelegenheid: in de praktijk lukt het nooit om van een complex kwantumsysteem de exacte begintoestand te achterhalen, al was het maar omdat het per definitie onmogelijk is om de huidige toestand volledig te bepalen, omdat elke meting en waarneming een verstoring teweegbrengt.

De hamvraag waar theoretici als Hawking, Thorne en Preskill al bijna dertig jaar mee worstelen, is of er bij het verdwijnen van materie in een zwart gat informatie verloren gaat of niet. Zo ja, dan is er iets goed mis aan de basis van de kwantummechanica. Volgens Preskill (en een groot aantal andere natuurkundigen) is er niets aan de hand: de materie die in een zwart gat valt, verdwijnt weliswaar uit het zicht, zodat wij de informatie over de begintoestand in de praktijk nooit meer kunnen achterhalen, maar die informatie maakt nog steeds gewoon deel uit van ons heelal, en is dus strikt genomen niet verloren gegaan. Diep in het zwarte gat is in principe nog steeds informatie voorhanden over wát er precies naar binnen is gevallen, en wanneer en hoe dat gebeurde.

Wedden voor een encyclopedie

Maar Hawking en Thorne beweerden dat het oneindig sterke zwaartekrachtsveld in de singulariteit geen spaan heel zou laten van de kwantummechanische informatie. Sterker: wanneer zwarte gaten inderdaad tunnels zijn naar babyheelallen in een andere ruimtetijddimensie, zou de informatie voorgoed uit ons heelal verdwijnen, in tegenspraak met de wetten van de kwantummechanica. In 1997 sloot Preskill een weddenschap af met Thorne en Hawking. De winnaar zou van de verliezer een encyclopedie naar keuze ontvangen, ‘waaruit altijd gemakkelijk informatie kan worden ingewonnen’.

Volgens veel natuurkundigen had Hawking zelf drie jaar eerder al een aanzet gegeven tot de oplossing van de informatieparadox. In 1974 publiceerde hij zijn theorie dat zwarte gaten niet echt zwart zijn. Dankzij het onzekerheidsprincipe van Heisenberg – een andere pijler van de kwantummechanica – bleek het mogelijk te zijn dat er af en toe toch een foton (een lichtdeeltje) aan de zwaartekrachtsgreep van een zwart gat ontsnapt. En omdat energie en massa volgens Einstein equivalent zijn, wordt het zwarte gat daarbij een heel klein beetje lichter. Een zwart gat waarin geen nieuwe materie valt, zal op de lange duur dan ook volledig ‘verdampen’ als gevolg van deze Hawkingstraling.

Hawkings eigen berekeningen toonden aan dat die Hawkingstraling volledig gekarakteriseerd wordt door de massa van het zwarte gat, en totaal geen informatie bevat over de voorgeschiedenis ervan. De kwantummechanische informatie die ooit in een zwart gat is verdwenen, komt er dus niet in de vorm van Hawkingstraling weer uit tevoorschijn. Sterker: pas door de theoretische ontdekking van de naar hem genoemde straling kwam Hawking tot de conclusie dat er daadwerkelijk sprake leek te zijn van een informatieparadox. Andere natuurkundigen bleven van mening dat de Hawkingstraling toch de sleutel vormt tot de oplossing van de paradox, maar ze slaagden er niet in om dat theoretisch te onderbouwen.

Op een internationaal natuurkundecongres in Dublin is Hawking nu zelf met een oplossing voor de paradox gekomen. De details worden door vrijwel niemand begrepen (zelfs niet door Preskill, aldus het Amerikaanse tijdschrift Sky & Telescope), en of de door Hawking gevolgde oplossingsmethode wel gerechtvaardigd is, wordt door veel theoretici betwijfeld. Maar goed, Hawking spreekt, en de wereld luistert. Waar het op neerkomt is dat een ‘puur’ zwart gat, met een nauwkeurig bepaalde horizon, volgens Hawking niet bestaat, en dat er in het centrum van een zwart gat geen nieuw babyheelal wordt geboren.

Sorry, sciencefictionfans

‘De informatie blijft aanwezig in ons heelal,’ aldus Hawking tijdens zijn presentatie in Dublin. ‘Het spijt me dat ik sciencefictionfans moet teleurstellen, maar als de informatie behouden blijft, is het niet mogelijk om via zwarte gaten naar andere heelallen te reizen. Als je in een zwart gat springt, wordt je massa-energie aan ons heelal teruggegeven, maar in een gemangelde vorm, die wel informatie bevat over je verleden, maar in een onherkenbare vorm.’ En hoewel zelfs Kip Thorne nog twijfelt aan Hawkings nieuwste ideeën, is de natuurkundegoeroe uit Cambridge zelf overtuigd van het feit dat de informatieparadox is opgelost. ‘Het is fantastisch om een probleem te hebben opgelost dat me bijna dertig jaar lang hoofdbrekens heeft bezorgd,’ aldus Hawking. Aan John Preskill gaf hij in Dublin een exemplaar van ‘Total Baseball. The Ultimate Baseball Encyclopedia’, dat speciaal voor deze gelegenheid was overgevlogen uit de Verenigde Staten.

Einde verhaal? Waarschijnlijk niet. Nobelprijswinnaar en zwartegatenexpert Gerard ‘t Hooft van de Universiteit Utrecht is in het geheel niet overtuigd van Hawkings ’oplossing’, al heeft hij de nieuwe theorie nog niet in detail bestudeerd. ‘Voor mij lost Hawking het probleem helemaal niet op,’ aldus ‘t Hooft. ’Als ik in Dublin aanwezig was geweest, zou ik hem wel van repliek hebben gediend. Hij kondigt nu wel met veel tamtam aan dat hij het allemaal begrijpt, maar naar mijn gevoel is hij aangeland waar de meesten van ons een kleine twintig jaar geleden al waren, en begint het probleem nu pas.’ Misschien is het dus wel tijd voor een nieuwe weddenschap.

Dit artikel is eerder verschenen in de Volkskrant