"ब्रेकिंग न्यूज" - कृष्णविवरं नाहीतच - स्टीफन हॉकिंग

कोणी अंतराळवीर जर कृष्णविवरात पडला तर? कृष्णविवर म्हणजे काही बोअरवेलचा खड्डा नव्हे की ज्यात कोणी प्रिन्स पडला तर संपूर्ण देशातली माध्यमं त्याबद्दल बातम्या दाखवू शकतील. हे एक बरं. आणि दुसरी चांगली गोष्ट अशी की या प्रश्नाचा विचार करून काही शास्त्रज्ञांचं पोटही भरतं.

---

कृष्णविवरापर्यंत पोहोचण्याआधी आपल्याला event horizon (मराठी शब्द?) पार करावं लागेल. कृष्णविवरातून काहीही बाहेर पडू शकत नाही, अगदी प्रकाशसुद्धा नाही, हे तुम्हाला माहित असेलच. असं असेल तर कृष्णविवर तिथे आहे हे समजणं शक्य नाही. समजा या लेखावर कोणी प्रतिक्रियाच दिली नाही, या लेखाची वाचनं किती झाली हे मला दिसलं नाही, तर लेख लोकांपर्यंत पोहोचला का, किती लोकांपर्यंत पोहोचला, हे मला समजणार नाही. कृवि (कृष्णविवर)चंही हेच. पण त्याच्या बाहेर काही अंतरावर काय सुरू आहे हे दिसतं. आणि तिथे बरीच वेगवेगळी "मज्जा" होताना दिसते. मज्जा म्हणजे क्ष-किरणांची आतिषबाजी वगैरे. मग त्यातून समजतं की आत काहीतरी चाललंय. ज्या अंतरापर्यंतची "मज्जा" दिसते ते हे event horizon.

तर समजा कोणी अंतराळवीर कृवित पडला तर काय होईल?^० कदाचित event horizon वरून तो बाहेर फेकला जाईल. पण आपल्याला हवा तसा विचार करायची मुभा आहे. तर तो आत गेला तर कदाचित काही तास, दिवस, महिने त्याला काहीही वेगळं वाटणार नाही. समजा त्याचे पाय आतल्या दिशेला आहे, डोकं बाहेरच्या तर काही काळानंतर त्याला पाय जास्त खेचले जात आहेत आणि डोक्याच्या बाजूला तेवढं गुरुत्वाकर्षण नाही हे जाणवेल. जसंजसं कृविपासून अंतर कमी होईल तसा हा गुरुत्वाकर्षणातला बदल, (पायाकडे जास्त, डोक्याकडे कमी) जास्त होईल आणि विशिष्ट अंतरावर शरीराचे तुकडे होतील.^० आणि शेवटी हे तुकडे कृविच्या इवलुशा पण ताकदवान उदरात गडप होतील.

पण दीड वर्षांपूर्वी काही लोकांना (जोसेफ पोलचिन्स्की, अहमद आल्महेरी, जेम्स सली, डॉनल्ड मेरॉल्फ) गणितं सोडवताना असं लक्षात आलं की कदाचित काही वेगळंही होऊ शकतं.^१ क्वांटम परिणामांमुळे^२ event horizon वर एक प्रचंड तापलेला, उकळणारा, कणांचा भोवरा असेल. या भोवऱ्यापर्यंत अंतराळवीर गेला की क्षणार्धात त्याचा भाजून कोळसा. आता आधी हे लक्षात घेऊ या की हे प्रत्यक्षात कोणी पाहिलेलं नाही आणि अनुभवलेलं तर नाहीच नाही. त्यामुळे 'चक्षुर्वे सत्यम'ला फार अर्थ नाही.

एकंदर पोलचिन्स्की कंपूचा सिद्धांत अतिशय रोचक आणि महत्त्वाचा वाटत आहे, आणि तरीही हा सिद्धांत अढळपदावर असणाऱ्या सामान्य सापेक्षतेच्या सिद्धांताला आव्हान देणारी, सामान्य सापेक्षतेच्या सिद्धांत जिथे लागू होत नाही स्थिती मांडतो. सामान्य सापेक्षतेचा सिद्धांत हा तर साधारण गेल्या एका शतकापासून विज्ञानामधे अढळपद लाभलेला सिद्धांत आहे.

सामान्य सापेक्षतेमधे एक equivalence principle आहे. थोडक्यात या तत्त्वानुसार, गुरूत्वीय क्षेत्रामधे, अगदी कृविमधेही, पडणाऱ्या निरीक्षकाला आजूबाजूच्या घटना इतर निरीक्षकांना दिसतात तशाच दिसतील. आता झाली ना श्रीमान आईनस्टाईन यांची मरणोत्तर आणि सिद्धांत मानणाऱ्या सगळ्यांची ग्रँड गोची! म्हणून मग या पोलचिन्स्की आणि कंपूने दुसरा रस्ता शोधायचा प्रयत्न केला. दुसऱ्या रस्त्यात गडबड अशी झाली की ह्या रस्त्याने गेलं तर क्वांटम मेकॅनिक्स, ज्यावर अणूपेक्षा छोट्या कणांचं शास्त्र पूर्णपणे अवलंबून आहे ते कोसळतं. इकडे आड तिकडे विवर.

या सगळ्या गोचीचं मूळ आहे स्टीफन हॉकिंग आणि त्याचा १९७४ सालात मांडलेला सिद्धांत. यानुसार, क्वांटम परिणामांमुळे कृविंचं तापमान कमी होतं. कृविंना एकटे सोडून दिले तर त्यातून thermal radiation बाहेर पडतं. (Thermal radiation हे विद्युतचुंबकीय प्रकारचंच प्रारण असतं आणि भारीत कणांच्या, उष्णतेमुळे होणाऱ्या हालचालींमुळे प्रारण बाहेर पडतं.) हे हॉकिंग प्रारण. या प्रक्रियेत फोटॉन आणि इतर कण बाहेर पडतात. कृविला झालेला क्षय. आणि काही काळानंतर संपूर्ण कृविच गायब होतं. याला माहिती-विरोधाभास (information paradox) असं म्हणतात.

सामान्य सापेक्षतेच्या सिद्धांतानुसार, हे बाहेर पडणारे कण, फोटॉन आत जाणाऱ्या अंतराळवीराला जाणवणार नाहीत. पण हे कण म्हणजे ते उकळणाऱ्या कणांचा भोवरा नाही. सापेक्षतेनुसार, कृवि फक्त वस्तुमान खातं, बाहेर पडायची काही सोय नाही. पण तेव्हा या सगळ्या प्रकाराने सामान्य सापेक्षतेचं सिंहासन किंचितच हललं होतं.

---

माहिती विरोधाभास (information paradox) -

अवकाश रिकामं दिसलं तरीही त्यात कण-प्रतिकण अशा जोड्या असतात. आणि ते एकमेकांशी संबंधित असतात. ते एकत्र येतात आणि नष्ट होतात, यात उर्जा मुक्त होते. आणि पुन्हा कण तयार होतात. असं क्वांटम सिद्धांत म्हणतो. हॉकींगला असं लक्षात आलं की कधीमधी कणांच्या या जोड्यांपैकी एक कण कृविमधे आत जातो आणि दुसरा बाहेर, अवकाशात जाण्यासाठी मुक्त होतो. बाहेर जाणाऱ्या कणाची उर्जा ऋण असते आणि ही कृविमधून बाहेर काढली जाते. हाच तो कृविचा क्षय. हा सिद्धांत आता तसा बहुमतात आहे.

क्वांटम मेकॅनिक्सनुसार माहिती नष्ट होत नाही. कागदावर बघायला गेलं तर, बाहेर पडणाऱ्या प्रारणांची मोजमापं घेऊन आत गेलेल्या कणांबद्दलही माहिती मिळवता आली पाहिजे. पण हॉकिंगने नवी माहिती अशी मिळवली की हे शक्य नाही. एक किलो दगड कृविवर फेकून मारले काय किंवा खरडी भरलेल्या एक किलो हार्डडिस्का कृविवर फेकून मारल्या, बाहेर पडणारं प्रारण एकसमान असेल. वेगवेगळ्या प्रकारचे कण आत गेले तरी बाहेर पडणारं प्रारण एकाच प्रकारचं असतं. कृवि मेलं तरीही ते कसं तयार झालं आणि त्याच्या पाकृतले घटक कण कोणकोणते हे निश्चित सांगता येणार नाही.

या सिद्धांताने संबंधित संशोधकांने उभी फूट पाडली. काहींचा विश्वास हॉकिंगच्या सिद्धांतावर आहे, कृविमधून कोणत्याही प्रकारची माहिती मिळवता येत नाही. काही आधीच्या क्वांटम सिद्धांताच्या बाजूने उभे राहिले. १९९७ साली माल्डाचीना नामक शास्त्रज्ञाला साय-फाय कल्पना सुचली. दोन मितींमधला लेझर वापरून जसे त्रिमितीय आकार बनवता येतात, तसंच आपल्या विश्वाच्या त्रिमितींची माहिती त्याच्या द्विमितीय सीमेत सामावलेली आहे.^३ तर हे चऱ्हाट इथेच सोडून देऊ. कारण मला समजलं ते एवढंच, त्रिमितीय कृविचं हवेत नाहीसं होणं द्विमितीय जगातही नीट लिहीता येतं, आणि द्विमितीय जगात गुरुत्वाकर्षणाची गुर्मी चालत नाही. तिथे फक्त क्वांटम सिद्धांताची दादागिरी आहे. आणि क्वांटम सिद्धांतानुसार माहिती नष्ट होत नाही. तसं असेल तर त्रिमितीय जगातही माहिती नष्ट होऊ नये. पण माहिती काहीतरी करून कृवितून निसटते आहे.

यावर काही वर्ष शास्त्रज्ञ खूष होते. हॉकिंग प्रारण नक्की काय प्रकारे माहितीची तस्करी करतं हे कोणालाही नीटसं समजलेलं नाही. या सगळ्याचं काहीतरी सोपंसं उत्तर आहे आणि सापडेलच, कुठे जाणार, असा लोकांचा विश्वास वाटत होता. हा सगळे सुटे धागे एकत्र करताना पोलचिन्स्कीला नवं काहीतरी सापडलं. या तस्करीचं एक स्पष्टीकरण १९९० च्या दशकात दिलेलं होतं. त्याचं गोळाबेरीज स्पष्टीकरण असं - कणांच्या जोडीतला एक कण कृवित जातो आणि दुसरा हॉकिंग प्रारण या स्वरूपात बाहेर पडतो. हे कण एकमेकांमधे गुंतलेले असायला हवेत. आणि प्रारण बाहेर पडण्याआधी ही जोडगोळी फुटलेली असेल तर बाहेर पडणाऱ्या कणातून माहिती मिळवता येईल. जोडगोळी फोडणं ही हिंस्त्र प्रक्रिया आहे. यात बरीच ऊर्जा बाहेर पडते. अशा असंख्या जोड्या कृविबाहेर फुटतात. या बाहेर पडणाऱ्या ऊर्जेमुळे उकळणाऱ्या कणांचा, भयंकर तापलेला, भडक भोवरा तयार होतो.

या स्पष्टीकरणात क्वांटम सिद्धांतात गडबड होत नाही, पण श्रीमान आईनस्टाईन यांच्या साम्राज्याला धोका आहे. कारण त्यांच्या साम्राज्यात, कोणताही कण, निरीक्षक जे event horizon च्या बाहेर पहातो, तसंच आत असलं पाहिजे आणि गुरुत्वीय क्षेत्रातला free-fall, बंजी जंपींगमधे ते खाली पडतात ते, ते दोन्ही ठिकाणी सारखंच असलं पाहिजे. सामान्य सापेक्षतावादाचं साम्राज्य वाचवायचं तर क्वांटम सिद्धांत मोडतो. माहिती नष्ट होते.

१९९० सालात ज्या सस्किंडने माहितीच्या तस्करीचं स्पष्टीकरण दिलं, त्याला या भोवऱ्याबद्दल मत बनवता आलेलं नाही. त्याचं बरंच तळ्यात-मळ्यात सुरू आहे. आणि बाकीच्या बऱ्याच संशोधकांचंही.

----

प्रत्यक्षात बघायला गेलं तर -

डॅनिअल हार्लो आणि पॅट्रीक हेडन यांनी आणखी एक स्पष्टीकरण दिलंय. समजा कोणी तिथे event horizon पर्यंत गेलं आणि तिथे बसून हॉकिंग प्रारण मोजायला लागलं. तर त्यांना बराच काळ ते प्रारण मोजून, नंतर बराच काळ event horizon च्या आत जाऊन, आत ओढले गेलेले कण तपासत बसावं लागेल. ही दोन्ही मोजमापं करायला एवढा वेळ लागेल की त्यात ते कृवि क्षयाने मरेल.^४ गिडींग्ज याने या भडक भोवऱ्यावरच आक्षेप घेतला आहे. त्याचं म्हणणं, की कणांच्या जोड्या फुटतात ती प्रक्रिया अशी काही फार भडक नसते. (अमुकतमुक सेनेच्या सैनिकांनी टायर जाळण्याऐवजी निषेधाची पत्रकं फेकली तर ...) ही प्रक्रिया होत असेल तर क्वांटम सिद्धांताच्या सिंहासनाचे काही नियम बदलावे लागतील, पण मोडके भाग बदलून हे फर्निचर पुन्हा वापरायोग्य होईल. शिवाय हे प्रयोग करून पहाणं तसं शक्य आहे.

---

फास्ट फॉरवर्ड - २४ जाने २०१४

पहिली काडी टाकणारा नारद, स्टीफन हॉकिंग, आता एक नवाच तोडगा घेऊन आला आहे. त्याचा 'न'वा तोडगा असा आहे की केक खाताही येईल आणि ठेवताही येईल. आता तो म्हणतोय की कृविंना हे event horizon नसतंच. क्वांटम परिणामांमुळे हे event horizon च मागे-पुढे हिंदकळत राहिल.^५ हॉकिंग म्हणतो, त्याऐवजी 'भासमान क्षितीज' असेल जिथपासून प्रकाश किरण कृविपासून सुटू शकतात. सामान्य सापेक्षतावादामधे, जिथे कृविचं वस्तूमान कमी होत नाही, तिथे भासमान आणि घटना घडताना दिसतात ती दोन्ही क्षितीजं एकच असतील. कृविला खायला मिळालं की त्याचंही पोट फुगेल आणि event horizon त्याच्या भासमान क्षितीजापेक्षा मोठं होईल. एखादा कण, फोटॉन बाहेर टाकला की event horizon आक्रसेल. हे भासमान क्षितीज ही खरी मर्यादा आहे. “The absence of event horizons means that there are no black holes — in the sense of regimes from which light can't escape to infinity,” -- इति हॉकिंग

सध्या हा संशोधन पेपर हॉकिंगने प्रसिद्ध केला आहे, पण तो फक्त arXiv या संस्थळावर. हे peer reviewed journal नाही. म्हणजे या क्षेत्रातल्या इतर संशोधकांनी या सिद्धांताला अजून मान्यता दिलेली नाही. तसंही हे काम एवढ्या कमी दिवसात होत नाहीच. पण हॉकिंगबरोबर १९७० च्या दशकात काम केलेल्या डॉन पेजला हा सिद्धांत मान्य करण्यालायक वाटतो.

जर हा सिद्धांत योग्य असेल, तर त्याचा अर्थ असा - आपण आत्ता जे समजतो, कृविमधे सगळं वस्तूमान एका बिंदूशी एकवटलेलं असतं, ते तसं नाही. या 'भासमान क्षितीजा'च्या आत सगळं वस्तूमान पसरलेलं असेल. हे वस्तूमान हळूहळू आत ओढलं जाईल पण एका बिंदूशी एकवटणार नाही. या वस्तूमानासंदर्भातली माहिती शोधून काढायचीच असेल तर शोधता येईल. पण ते म्हणजे नुसताच एखादा पदार्थ पाहून त्याची पाकृ आणि त्यातले घटकपदार्थ शोधण्यासारखं कठीण असेल.

पोलचिन्स्कीला या सिद्धांताबद्दल, event horizon नसणारं कृवि असेल का, याबद्दल शंका आहेत. event horizon नाहीसं करण्यासाठी बरीच जास्त "हिंसा" करावी लागेल आणि अशा ९/११ सारख्या घटना विश्वात वारंवार होत नाहीत, हे त्याचं मत.

एकंदर हा विषय अजूनही तसा हॉट टॉपिकच आहे.

---

०. बरं झालं, एक पुरुष कमी झाला - एक जहाल स्त्रीवादी.
१. मिडीयाने कृपया 'ब्रेकिंग न्यूज' बनवणे. दीड वर्षांपूर्वीची असली तरी वेगळी स्टोरी आहे.
२. राहुल गांधी परिणाम, न समजणारे मोठेमोठे शब्द वापरायचे.
३. म्हणजे नक्की काय? Inertial damper, tricorder म्हणजे काय ते मला सांगा, तरच मी याचा अर्थ सांगेन.
४. वैज्ञानिकांचा वेळकाढूपणा?
५. भलते विनोद टाळण्यासाठी तळटीप टाकली नाही.

----

संदर्भ स्रोत -

Stephen Hawking: 'There are no black holes'
Astrophysics: Fire in the hole!

स्टीफन हॉकींगचा ताजा पेपर - Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes
(अद्ययावत करताना हा एक मूळ संदर्भ इथे दिला आहे.)