Karl Schwarzschildek deskribatu zituen lehen aldiz zulo beltzak 1916an, baina denbora luzez ez ziren benetan kontuan hartu. “Zulo beltzak objektu geometriko soil gisa deskubritu ziren; zentzu batean, soilik espazio hutsa… Ezereza”, azaldu du Stanfordeko Unibertsitateko fisikari teoriko Yuk Ting Albert Lawk.
Zulo beltza Albert Einsteinen erlatibitate orokorraren teoriaren ondorioz sortutako bitxikeria matematikoa da. Espazio-denboraren ehunaren muturreneko bihurtzea da, non haren kurbatura eta erakarpen grabitatorioa infinitu bihurtzen diren. Puntu horretara gehiegi hurbiltzen den orok ezingo du ihes egin, ezta argiak ere.
Zulo beltzek garrantzi handiagoa hartu zuten Stephen Hawking eta Jacob Bekensteinen lanarekin 1970eko hamarkadan. Zientzialari horien kalkuluek «egitura mikroskopikoa izan dezaketen» benetako objektuekiko espazio bihurritu bihurtu zituzten zulo beltzak. Aurkikuntzek irismen luzeko ondorioak izan zituzten; izan ere, gaur egun ere espazio-denbora ulertzeko eta horren misterioak argitzeko erabiltzen dira.
Aurkikuntzen seriea 1972an hasi zen, Hawkingek frogatu zuenean zulo beltz baten tamaina beti handitzen dela bertan erortzen denaren masarekiko modu proportzionalean. Araua termodinamikaren bigarren legearen antzekoa zen. Horrek dio entropia –desordenaren neurri bat sistema batean– ez dela inoiz murrizten.
Fisikari gehienek, Hawkingek barne, ez zuten modu literalean hartu antzekotasun hori. “Jendeak uste zuen ez zuela zerikusirik termodinamikarekin. Matematikoki antzekoa zirudien, besterik ez”, azaldu du Elba Alonso-Monsalvek, Massachusettseko Teknologia Institutuko fisikari teorikoak.
Bekenstein ez zegoen ados. Esaten zuen zulo beltzek entropia izan behar zutela. Halakorik ez balukete, har dezagun zulo beltz batean erortzen den te beroz beteriko kikara bat. Tearen entropia desagertuko zitekeela irudituko litzaiguke, eta horrek termodinamikaren bigarren legea hautsiko luke. Baldin eta ez bada zulo beltzaren azalera hedatzen, horrek esan nahi baitu bere entropia propioa hazi egiten dela alde hori konpentsatzeko.
Horrenbestez, zulo beltzaren azalera zuloaren entropiaren adierazletzat hartu behar da, Bekensteinen arabera. “Ikusi zuen azalera benetan entropia gisa aintzat hartzen bada, unibertsoaren guztizko entropia handitu egiten dela”, eta halaxe gertatu beharko litzateke zulo beltzean zerbait erortzen denean, esan du, jarraitzeko, Alonso-Monsalvek.
Bekensteinen entropia-azalera harremana aierua besterik ez zen. Ondoren Hawkingek formula kuantitatibo zehatz bihurtuko zuen. Formulan falta ziren koefizienteak aurkitu zituen mekanika kuantikoaren ekuazioak eta zulo beltz bat inguratzen duen espazio-denbora deformatua konbinatuta. Kalkulatu zuen zulo beltzek beste edozein objektu bero gisa erradiatzen zutela. Horrek esan nahi du tenperatura neurgarria dutela. Alderantziz lan eginda, tenperatura hori erabili zuen zulo beltzaren entropia kalkulatzeko, eta adierazpen zehatza eskuratu zuen azalerari dagokionez.
Formulak inplikazio erradikalak izan zituen.
Oinarrizko mailan, entropia aukerak dira. Zerbait kanpoaldetik behatuta kalkulatzen da, eta itxura hori izan dezan haren partikulak antolatzeko moduen kantitatea kalkulatuta. Gero eta aukera mikroskopiko gehiago existitu —kanpoaldetik bereizi ezin direnak— sistema baten egoerarako, orduan eta entropia handiagoa izango du sistema horrek.
Entropia sistema baten bolumenarekin areagotu ohi da, hura osatzen duten atomo guztien artean banatzen delako. Bi ur kikararekin betetako pitxer batek kikara baten entropia bikoitza dauka.
Harrigarria bada ere, zulo beltzak oso desberdinak dira elkarren artean. Bekenstein-Hawkingen formulak dio zulo beltz baten entropia areagotu egiten dela bere azaleraren arabera, ez barnean duen espazio kantitatearen arabera. Zulo beltz batean haren bolumena bikoizteko adina material erotzen bada, haren entropia erdia baino ez da areagotuko, gutxi gorabehera.
Formula horrek berekin dakar zulo beltz baten kanpoaldetik eskuratu ezin den informazio mikroskopiko guztia haren azaleran kodifikatuta dagoela. Badirudi muga iragazgaitz horrek ez daukala informazio gehigarririk, muga bera objekturik garrantzitsu eta funtsezkoena izango balitz bezala.
Gaur arte, azalera-entropia legea da grabitatearen izaera kuantikoari buruz daukagun informaziorik zehatzena. “Grabitate kuantikoaren eredua edozein dela ere, zulo beltzen entropia azaltzeko gai izan behar du”, adierazi du Lawk. Hori da korden teoriaren arrakasta handienetako bat, zeina grabitatearen jatorria energiaz dardara egiten duten begizta gisa deskribatzen duen “guztiaren teoria” bat izateko hautagaia baita. 1996an, Andrew Strominger eta Cumrun Vafak korden teoriaren arabera zulo beltz baten azpian dauden egoera mikroskopikoak zenbatu zituzten, eta Bekensteinen azalera-entropia formulara iritsi ziren.
Hori horrela, zulo beltzen azpiko egituraren gakoa haien azaleran dago. Lawren hitzetan, “jendea hasi zen pentsatzen zulo beltzak deskribatzen dituen teoria mikroskopikoa agian dimentsio txikiagoa duen espazio-denbora batean bizi dela”. Kontzeptu hori, printzipio holografiko deitua, zulo beltzetatik espazio-denbora osora zabal daiteke. Baliteke gure unibertsoaren egitura malgu eta grabitazionalaren sorrera dimentsio txikiagoko mugaren batean gertatzen den hartatik etortzea.
Jatorrizko artikulua:
Joseph Howlett (2024). The #1 Clue to Quantum Gravity Sits on the Surfaces of Black Holes, Quanta Magazine, 2024ko irailaren 25a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.