Het vreemde lot van een persoon die in een zwart gat valt
Dit was het meest gelezen verhaal op BBC Earth in 2015. Hier is nog een kans om het te lezen.
Het kan iedereen overkomen. Misschien ben je op zoek naar een nieuwe bewoonbare planeet voor het menselijk ras, of misschien ben je gewoon een lange wandeling aan het maken en glijd je uit. Wat de omstandigheden ook zijn, op een gegeven moment worden we allemaal geconfronteerd met de eeuwenoude vraag: wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?
Je verwacht misschien te worden verpletterd, of misschien wel aan stukken gescheurd. Maar de werkelijkheid is vreemder dan dat.
Op het moment dat je in het zwarte gat valt, splitst de werkelijkheid zich in tweeën. In de ene zou je onmiddellijk worden verbrand, en in de andere zou je volkomen ongedeerd in het zwarte gat storten.
Een zwart gat is een plaats waar de wetten van de fysica zoals wij die kennen, uiteenvallen. Einstein leerde ons dat de zwaartekracht de ruimte vervormt, waardoor deze kromt. Als een object dicht genoeg is, kan de ruimtetijd zo vervormd raken dat hij in zichzelf draait en een gat in het weefsel van de werkelijkheid graaft.
Een zware ster die geen brandstof meer heeft, kan de extreme dichtheid produceren die nodig is om zo’n gemangeld stukje wereld te creëren. Als hij bezwijkt onder zijn eigen gewicht en naar binnen stort, stort de ruimtetijd in. Het zwaartekrachtsveld wordt zo sterk dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen, waardoor het gebied waar de ster ooit stond, diepdonker wordt: een zwart gat.
Naarmate je dieper in het zwarte gat komt, wordt de ruimte steeds krommer
De buitenste grens van het gat is de waarnemingshorizon, het punt waar de zwaartekracht precies de pogingen van het licht tegenwerkt om eraan te ontsnappen. Kom je dichterbij, dan is er geen ontsnappen meer aan.
De waarnemingshorizon staat in vuur en vlam van energie. Kwantumeffecten aan de rand creëren stromen hete deeltjes die het heelal in stralen. Dit wordt Hawkingstraling genoemd, naar de natuurkundige Stephen Hawking, die het voorspelde. Als je genoeg tijd krijgt, zal het zwarte gat zijn massa wegstralen en verdwijnen.
Als je dieper het zwarte gat ingaat, wordt de ruimte steeds krommer, tot hij in het centrum oneindig krom wordt. Dit is de singulariteit. Ruimte en tijd zijn niet langer zinvolle ideeën, en de natuurkundige wetten zoals wij die kennen – die allemaal ruimte en tijd vereisen – zijn niet langer van toepassing.
Wat hier gebeurt, weet niemand. Een ander universum? Vergetelheid? De achterkant van een boekenkast? Het is een mysterie.
Dus wat gebeurt er als je per ongeluk in een van deze kosmische aberraties valt? Laten we beginnen met het je ruimtegenoot te vragen – we noemen haar Anne – die vol afschuw toekijkt hoe jij in het zwarte gat stort, terwijl zij er veilig buiten blijft. Vanaf de plek waar zij zweeft, gaat het er vreemd aan toe.
Terwijl je naar de horizon van het zwarte gat versnelt, ziet Anne je uitrekken en vervormen, alsof ze je door een gigantisch vergrootglas bekijkt. En hoe dichter je bij de horizon komt, hoe meer je lijkt te bewegen in slow motion.
Voordat je ooit de duisternis van het zwarte gat bent overgestoken, ben je gereduceerd tot as
Je kunt niet tegen haar schreeuwen, want er is geen lucht in de ruimte, maar je zou kunnen proberen haar een morsebericht te flitsen met het licht op je iPhone (daar is een app voor). Je woorden bereiken haar echter steeds langzamer, de lichtgolven strekken zich uit tot steeds lagere en rodere frequenties: “Oké, a l r i g h t, a l r i…”
Als je de horizon bereikt, ziet Anne je verstijven, alsof iemand op de pauzeknop heeft gedrukt. Je blijft daar staan, roerloos, uitgestrekt over het oppervlak van de horizon terwijl een groeiende hitte je begint te overspoelen.
Volgens Anne word je langzaam uitgewist door de uitrekking van de ruimte, het stoppen van de tijd en het vuur van Hawkingstraling. Voordat je ooit de duisternis van het zwarte gat oversteekt, ben je gereduceerd tot as.
Maar voordat we je begrafenis plannen, laten we Anne even vergeten en deze gruwelijke scène vanuit jouw gezichtspunt bekijken. Nu gebeurt er iets nog vreemders: niets.
Je vaart recht op de meest onheilspellende bestemming van de natuur af zonder ook maar een bult of een ruk – en zeker geen uitrekking, vertraging of broeiende straling. Dat komt omdat je in vrije val bent, en daarom voel je geen zwaartekracht: iets wat Einstein zijn “gelukkigste gedachte” noemde.
In een zwart gat dat groot genoeg is, kun je de rest van je leven vrij normaal doorbrengen
De waarnemingshorizon is immers niet zoiets als een bakstenen muur die in de ruimte zweeft. Het is een artefact van perspectief. Een waarnemer die buiten het zwarte gat blijft, kan er niet doorheen kijken, maar dat is niet jouw probleem. Wat jou betreft is er geen horizon.
Zeker, als het zwarte gat kleiner zou zijn, zou je een probleem hebben. De zwaartekracht zou aan je voeten veel sterker zijn dan aan je hoofd, en je uitrekken als een stuk spaghetti. Maar gelukkig voor jou is dit een groot gat, miljoenen keren massiever dan onze zon, dus de krachten die je zouden kunnen spaghettivormen zijn zwak genoeg om genegeerd te worden.
In feite zou je in een zwart gat dat groot genoeg is, de rest van je leven vrij normaal kunnen doorbrengen voordat je sterft in de singulariteit.
Hoe normaal kan het eigenlijk zijn, vraag je je af, als je naar een breuk in het ruimte-tijdcontinuüm wordt gezogen, tegen je wil wordt meegesleurd en niet in staat bent de andere kant op te gaan?
Je kunt niet omkeren en aan het zwarte gat ontsnappen
Maar als je erover nadenkt, kennen we dat gevoel allemaal, niet door onze ervaring met ruimte maar met tijd. Tijd gaat alleen vooruit, nooit achteruit, en het trekt ons tegen onze wil mee, waardoor we niet kunnen omkeren.
Dit is niet zomaar een analogie. Zwarte gaten vervormen ruimte en tijd zo extreem dat binnen de horizon van het zwarte gat ruimte en tijd feitelijk van rol verwisselen. In zekere zin is het echt de tijd die je naar de singulariteit trekt. Je kunt je niet omdraaien om aan het zwarte gat te ontsnappen, net zo min als je je kunt omdraaien om terug te reizen naar het verleden.
Op dit punt wil je misschien even stoppen en jezelf een dringende vraag stellen: Wat is er in godsnaam mis met Anne? Als je in het zwarte gat zit te chillen, omgeven door niets vreemders dan lege ruimte, waarom houdt zij dan vol dat je bent verbrand door straling buiten de horizon? Is ze aan het hallucineren?
Eigenlijk is Anne heel redelijk. Vanuit haar gezichtspunt ben je echt verbrand aan de horizon. Het is geen illusie. Ze zou zelfs je as kunnen verzamelen en terugsturen naar je dierbaren.
De natuurwetten vereisen zelfs dat je buiten het zwarte gat blijft, gezien vanuit Annes perspectief. Dat komt omdat de kwantumfysica eist dat informatie nooit verloren kan gaan. Elk stukje informatie dat jouw bestaan verklaart, moet buiten de horizon blijven, anders worden Anne’s natuurwetten overtreden.
Je moet op twee plaatsen zijn, maar er kan maar één kopie van jou zijn
Aan de andere kant vereisen de natuurwetten ook dat je door de horizon vaart zonder hete deeltjes of iets anders tegen te komen. Anders zou je in strijd zijn met Einsteins gelukkigste gedachte, en zijn algemene relativiteitstheorie.
De wetten van de natuurkunde vereisen dus dat je zowel buiten het zwarte gat in een hoopje as zit, als binnen het zwarte gat levend en wel. En dan is er nog een derde natuurkundige wet die zegt dat informatie niet gekloond kan worden. Je moet op twee plaatsen zijn, maar er kan maar één kopie van jou zijn.
Op de een of andere manier wijzen de wetten van de natuurkunde ons in de richting van een conclusie die nogal onzinnig lijkt. Natuurkundigen noemen dit woedende raadsel de informatieparadox van het zwarte gat. Gelukkig hebben ze in de jaren negentig een manier gevonden om het op te lossen.
Leonard Susskind realiseerde zich dat er geen paradox is, omdat geen enkele persoon ooit jouw kloon ziet. Anne ziet maar één kopie van jou. Jij ziet maar één kopie van jezelf. Jij en Anne kunnen nooit notities vergelijken. En er is geen derde waarnemer die zowel binnen als buiten een zwart gat tegelijk kan zien. Er worden dus geen natuurkundige wetten overtreden.
De werkelijkheid hangt af van aan wie je het vraagt
Of, dat wil zeggen, je eist te weten welk verhaal echt waar is. Ben je echt dood of leef je echt?
Het grote geheim dat zwarte gaten ons hebben onthuld, is dat er geen echt bestaat. De werkelijkheid hangt af van wie je het vraagt. Er is Annes werkelijkheid en er is jouw werkelijkheid. Einde verhaal.
Nou, bijna. In de zomer van 2012 bedachten de natuurkundigen Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski en James Sully, samen AMPS genoemd, een gedachte-experiment dat alles wat we over zwarte gaten dachten te weten, overhoop dreigde te halen.
Ze realiseerden zich dat de oplossing van Susskind afhing van het feit dat onenigheid tussen jou en Anne wordt bemiddeld door de waarnemingshorizon. Het maakte niet uit of Anne de ongelukkige versie van jou verspreid tussen de Hawkingstraling zag, omdat de horizon verhinderde dat ze de andere versie van jou zag zweven in het zwarte gat.
Anne zou stiekem een kijkje achter de horizon kunnen nemen
Maar wat als er een manier was om erachter te komen wat er aan de andere kant van de horizon was, zonder hem daadwerkelijk te passeren?
Ordinaire relativiteit zou zeggen dat dat een nee-nee is, maar kwantummechanica maakt de regels een beetje vager. Anne kan stiekem een kijkje achter de horizon nemen, met behulp van een trucje dat Einstein “spooky action-at-a-distance” noemde.
Dit gebeurt wanneer twee sets deeltjes die in de ruimte gescheiden zijn, op mysterieuze wijze “verstrikt” raken. Zij maken deel uit van een enkel, ondeelbaar geheel, zodat de informatie die nodig is om hen te beschrijven niet in een van beide verzamelingen alleen kan worden gevonden, maar in de spookachtige verbindingen tussen hen.
Het AMPS-idee ging ongeveer zo. Laten we zeggen dat Anne een stukje informatie bij de horizon vastgrijpt – noem het A.
Elk stukje informatie kan maar één keer verstrikt raken
Als haar verhaal klopt, en jij bent er geweest, verstrikt tussen de Hawkingstraling buiten het zwarte gat, dan moet A verstrikt zijn met een ander stukje informatie, B, dat ook deel uitmaakt van de hete stralingswolk.
Aan de andere kant, als jouw verhaal waar is en je leeft nog aan de andere kant van de horizon, dan moet A verstrengeld zijn met een ander stukje informatie, C, dat zich ergens in het zwarte gat bevindt.
Hier is de clou: elk stukje informatie kan maar één keer verstrengeld worden. Dat betekent dat A alleen met B of met C kan worden verstrengeld, niet met allebei.
Dus Anne neemt haar stukje A en haalt het door haar handige verstrengeling-decodeermachine, die een antwoord uitspuugt: ofwel B of C.
Glij je er zo doorheen en leef je een normaal leven?
Als het antwoord C blijkt te zijn, dan wint je verhaal, maar zijn de wetten van de kwantummechanica gebroken. Als A verstrengeld is met C, die diep in het zwarte gat zit, dan is dat stukje informatie voor altijd verloren voor Anne. Dat breekt de kwantumwet dat informatie nooit verloren kan gaan.
B blijft over. Als Anne’s decodeermachine vindt dat A verstrikt is met B, dan wint Anne, en verliest de algemene relativiteit. Als A verstrengeld is met B, dan is Anne’s verhaal het enige ware verhaal, wat betekent dat je echt verbrand bent. In plaats van recht door de horizon te zeilen, zoals volgens de relativiteit zou moeten, heb je een brandende firewall geraakt.
Dus we zijn terug waar we begonnen: wat gebeurt er als je in een zwart gat valt? Glijd je er doorheen en leef je een normaal leven, dankzij een werkelijkheid die vreemd genoeg afhankelijk is van de waarnemer? Of nader je de horizon van het zwarte gat en bots je tegen een dodelijke firewall?
Niemand weet het antwoord, en het is een van de meest omstreden vragen in de fundamentele natuurkunde geworden.
Het zou Anne buitengewoon veel tijd kosten om de verstrengeling te ontcijferen
Fysici hebben meer dan een eeuw geprobeerd de algemene relativiteit te verenigen met de kwantummechanica, wetende dat uiteindelijk een van de twee zou moeten toegeven. De oplossing van de firewall-paradox zou ons moeten vertellen welke, en de weg moeten wijzen naar een nog diepere theorie van het universum.
Eén aanwijzing zou kunnen liggen in Anne’s decoderingsmachine. Uitzoeken met welk ander stukje informatie A is verstrengeld is een buitengewoon ingewikkeld probleem. Daarom vroegen de natuurkundigen Daniel Harlow van de Princeton University in New Jersey en Patrick Hayden, nu aan de Stanford University in Californië, zich af hoe lang dat zou duren.
In 2013 berekenden zij dat het Anne, zelfs met de snelste computer die de wetten van de natuurkunde toestaan, buitengewoon veel tijd zou kosten om de verstrengeling te decoderen. Tegen de tijd dat ze een antwoord zou hebben, zou het zwarte gat allang verdampt zijn, uit het heelal verdwenen zijn en de dreiging van een dodelijke firewall met zich meenemen.
Als dat het geval is, zou de complexiteit van het probleem alleen al kunnen voorkomen dat Anne er ooit achter komt welk verhaal het echte is. Dan zouden beide verhalen tegelijk waar zijn, zou de werkelijkheid intrigerend afhankelijk zijn van de waarnemer, zouden alle natuurkundige wetten intact blijven, en zou niemand het gevaar lopen tegen een onverklaarbare muur van vuur op te lopen.
Als de ware aard van de werkelijkheid ergens verborgen ligt, is de beste plek om te zoeken een zwart gat
Het geeft natuurkundigen ook iets nieuws om over na te denken: de verleidelijke verbanden tussen complexe berekeningen (zoals de berekening die Anne blijkbaar niet kan uitvoeren) en ruimte-tijd. Dit kan de deur openen naar nog iets diepers.
Dat is het met zwarte gaten. Het zijn niet alleen vervelende obstakels voor ruimtereizigers. Het zijn ook theoretische laboratoria die de subtielste kronkels in de wetten van de natuurkunde zo sterk maken dat ze niet kunnen worden genegeerd.
Als de ware aard van de werkelijkheid ergens verborgen ligt, is de beste plek om te kijken een zwart gat. Maar het is waarschijnlijk het beste om van buitenaf te kijken: tenminste totdat ze dat hele firewall-gedoe hebben uitgezocht. Of stuur Anne naar binnen. Zij is nu al aan de beurt.