Tänä vuonna edesmenneen maailmankuulun fyysikon Stephen Hawkingin viimeiseksi jäänyt tieteellinen tutkimus on julkaistu, kirjoittaa brittilehti The Guardian.

Tutkimuksen julkistivat sitä hänen kanssaan työstäneet kollegat, ja Hawkingin kerrotaan tehneen töitä sen parissa maaliskuussa tapahtuneeseen kuolemaansa saakka.

Tutkimus käsittelee Hawkingia ja monia muita tutkijoita pitkään vaivannutta kysymystä kysymystä, mitä tapahtuu informaatiolle, kun esine putoaa mustaan aukkoon. ”Informaatioparadoksia” käsittelevä tutkimus, jonka otsikko on Black Hole Entropy and Soft Hair (Mustan aukon entropia ja pehmeät karvat) on julkaistu arXiv.org-palvelussa.

Tutkimuksen toinen kirjoittaja Malcolm Perry Cambridgen yliopistosta sanoo, että informaatioparadoksi oli ”Hawkingin elämän keskipisteenä” yli 40 vuotta.

1900-luvun alkupuolella Albert Einsteinin teoriat ennustivat, että mustalla aukolla on kolme ominaisuutta: massa, varaus ja pyörimissuunta. Hawking ennusti 60 vuotta myöhemmin, että mustilla aukoilla on myös lämpötila.

Koska mustat aukot muiden esineiden tavoin säteilevät lämpöä avaruuteen, mustan aukon kohtalo on ennemmin tai myöhemmin kadota kokonaan. Tämä kuitenkin synnyttää ongelman: kvanttimaailman sääntöjen mukaan informaatio ei koskaan katoa. Mitä silloin tapahtuu esineessä olevalle informaatiolle, jos se joutuu mustaan aukkoon, ja tämä musta aukko myöhemmin katoaa?

Uusi Hawkingin tutkimuspaperi tarjoaa kysymykseen osittaisen ratkaisun. Kun esine joutuu mustaan aukkoon, mustan aukon lämpötilan pitäisi muuttua. Tällöin muuttuu myös mustan aukon entropia, joka kuvaa sen epäjärjestystä.

Tutkimuksessa osoitetaan, että mustan aukon entropia voidaan ehkä mitata mustan aukon tapahtumahorisonttia ympäröivistä fotoneista. Tutkijat kutsuvat tätä fotonikerrosta ”pehmeäksi karvaksi”. (Hawking on aiemmin luonnehtinut mustia aukkoja ”kaljuiksi”.)

”Tämä paperi osoittaa, että ’pehmeä karva’ voi kuvata entropiaa”, sanoo Malcolm Perry. ”Se kertoo, että pehmeä karva tekee todella oikeita asioita.”

Läheskään kokonaan informaatioparadoksi ei tämän tutkimuksen myötä ratkea, tutkijat korostavat.

Hawkingin kollegat kertoivat hänelle työn edistymisestä vain muutamaa päivää ennen hänen kuolemaansa. Perry ei tiennyt tuolloin Hawkingin tilasta, ja keskustelu saattoi jäädä Hawkingin viimeiseksi tieteelliseksi ajastustenvaihdoksi.

”Stephenin oli hyvin vaikea kommunikoida ja minä selitin kaiuttimen kautta, mihin olimme päätyneet. Kun selitin sen, hän hymyili leveästi. Kerroin hänelle, että olimme edistyneet. Hän tiesi lopputuloksen.”

Tutkijoiden pitää nyt pohtia sitä, miten tieto entropiasta käytännössä tallentuu tuohon pehmeään karvaan – sekä sitä, miten tuo informaatio tulee ulos mustasta aukosta sen kadotessa.

Olennaista on selvittää, tallentuuko kaikki tieto mustaan aukkoon joutuneesta esineestä tapahtumahorisonttiin. Jos vain esimerkiksi puolet tai 99 prosenttia tallettuu sinne, informaatioparadoksi ei ole ratkennut, Perry sanoo.

”Meillä on hieman vähemmän arvoituksia ratkottavanamme kuin aiemmin, mutta jäljellä on edelleen hämmentäviä ongelmia.”

Malcolm Perry selittää tarkemmin oheisessa The Guardianin erillisessä artikkelissa, mistä siinä on kysymys.