Vesolje je neverjetno in nenavadno mesto, napolnjeno z nerazložljivimi pojavi. Zdi se, da en tak pojav, informativni paradoks črne luknje, krši temeljni zakon fizike.
Obzorje črne luknje se šteje za zadnjo mejo: ko je zunaj, črna luknja ne more zapustiti nič, niti svetlobe. Ali to velja za informacije kot take? Se bo za vedno izgubila v črni luknji kot vse drugo?
Najprej moramo razumeti, da informativni paradoks črnih lukenj ni povezan s tem, kako smo navajeni zaznavati informacije. Ko pomislimo na besede, natisnjene v knjigi, na število bitov in bajtov v računalniški datoteki ali na konfiguracije in kvantne lastnosti delcev, ki sestavljajo sistem, o informacijah pomislimo kot na celoten sklop vsega, kar je potrebno za ponovno ustvarjanje ničesar.
Vendar ta tradicionalna definicija informacij ni neposredna fizična lastnost, ki jo je mogoče izmeriti ali izračunati, saj jo lahko na primer opravimo s temperaturo. Na srečo za nas obstaja fizična lastnost, ki jo lahko opredelimo kot enakovredno informaciji - entropija. Namesto da bi o entropiji razmišljali kot o merilu motnje, jo je treba obravnavati kot "manjkajoče" informacije, potrebne za določitev specifične mikrostate v sistemu.
Ko črna luknja absorbira maso, se količina entropije snovi določi glede na njene fizikalne lastnosti. V črni luknji pa so pomembne samo lastnosti, kot so masa, naboj in kotni zagon. Za ohranitev drugega zakona termodinamike to predstavlja resen problem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Ko črna luknja absorbira maso, se količina entropije snovi določi glede na njene fizikalne lastnosti. V črni luknji pa so pomembne samo lastnosti, kot so masa, naboj in kotni zagon. To predstavlja resno težavo za ohranitev drugega zakona termodinamike.
V vesolju obstajajo določena pravila, ki jim mora slediti entropija. Drugi zakon termodinamike lahko imenujemo najbolj neuničljiv izmed vseh: vzemite kateri koli sistem, ne dovolite, da bi karkoli vstopili ali zapuščali - in njegova entropija se ne bo nenadoma zmanjšala.
Zlomljeno jajce se ne zbere nazaj v svojo lupino, topla voda se nikoli ne loči na vroče in hladne dele, pepel pa se nikoli ne nabere v obliko predmeta, kot je bil, preden je bil zgorel. Vse to bi bil primer upada entropije in očitno se v naravi nič takega ne dogaja. Entropija lahko v večini okoliščin ostane enaka in se poveča, nikoli pa se ne more vrniti v nižje stanje.
Edini način umetnega zmanjšanja entropije je vnos energije v sistem in s tem "zavajanje" drugega zakona termodinamike, povečanje entropije zunaj tega sistema za večjo vrednost, kot se v tem sistemu zmanjšuje. Čiščenje hiše je odličen primer. Z drugimi besedami, entropije se ne morete znebiti.
Promocijski video:
Kaj se torej zgodi, ko se črna luknja hrani s snovjo? Predstavljajmo si, da knjigo vržemo v črno luknjo. Edine lastnosti, ki jih lahko pripišemo črni luknji, so dokaj lahke: masa, naboj in kotni zagon. Knjiga vsebuje informacije, ko pa jo vržete v črno luknjo, le poveča njeno maso. Sprva, ko so znanstveniki začeli preučevati to težavo, je veljalo, da je entropija črne luknje enaka nič. A če bi bilo tako, bi bilo, da bi nekaj v črno luknjo vedno kršilo drugi zakon termodinamike. Kar je seveda nemogoče.
Masa črne luknje je edini odločilni dejavnik v polmeru dogodkovnega obzorja za ne vrtečo se izolirano črno luknjo. Dolgo je veljalo, da so črne luknje statični predmeti v vesolju-času vesolja.
Kako pa izračunate entropijo črne luknje?
To idejo je mogoče zaslediti do Johna Wheelerja, ki je razmišljal, kaj se zgodi s predmetom, ko pade v črno luknjo z vidika opazovalca daleč od obzorja dogodka. Z velike razdalje se nam zdi, da se človek, ki pade v črno luknjo asimptotično, približa obzorju dogodkov in zaradi gravitacijskega rdečega premika vedno bolj utripa in se neskončno dolgo premika proti obzorju zaradi učinka relativističnega časovnega širjenja. Tako bi informacije iz nečesa, kar je padlo v črno luknjo, na njegovi površini ostale »šifrirane«.
To težavo rešuje elegantno in se sliši razumno. Ko nekaj pade v črno luknjo, se njegova masa poveča. Z naraščajočo maso se povečuje tudi njegov polmer in s tem tudi površina. Večja kot je površina, več informacij je mogoče šifrirati.
To pomeni, da entropija črne luknje sploh ni nič, ampak ravno nasprotno - ogromna. Kljub dejstvu, da je obzorje dogodkov razmeroma majhno v primerjavi z velikostjo vesolja, je količina prostora, ki je potreben za snemanje enega kvantnega bitja, majhna, kar pomeni, da se na površino črne luknje lahko zabeležijo neverjetne količine informacij. Entropija se povečuje, informacije se ohranijo in zakoni termodinamike so ohranjeni. Lahko se razpršiš, kajne?
Koščki informacij, sorazmerni s površino obzorja dogodka, se lahko kodirajo na površini črne luknje.
V resnici ne. Bistvo je, da če imajo črne luknje entropijo, morajo imeti tudi temperaturo. Kot pri vseh drugih objektih s temperaturo naj bi tudi sevanje prihajalo iz njih.
Kot je pokazal Stephen Hawking, črne luknje oddajajo sevanje v točno določenem spektru (spektru črnega telesa) in pri določeni temperaturi, določeni z maso črne luknje. Sčasoma to sevanje energije povzroči izgubo mase zaradi črne luknje, po znani Einsteinovi enačbi: E = mc ^ 2. Če se energija oddaja, mora od nekod prihajati, nekje pa mora biti tudi črna luknja. Sčasoma bo črna luknja vse hitreje in hitreje izgubljala svojo maso in v enem trenutku - v daljni prihodnosti - bo popolnoma izhlapela v svetlem utripu svetlobe.
Če pa črna luknja izhlapi v sevanju črnega telesa, ki ga določa le njegova masa, kaj se dogaja z vsemi informacijami in entropijo, zabeleženimi na njenem obzorju dogodkov? Konec koncev te informacije ne morete preprosto uničiti?
To je korenina paradoksa informacij o črni luknji. Črna luknja mora imeti visoko entropijo, ki vključuje vse podatke o tem, kaj jo je ustvarilo. Informacije o padajočih predmetih se zapišejo na površino obzorja dogodkov. Ko pa črna luknja razpade zaradi Hawkingovega sevanja, obzorje dogodkov izgine in za seboj pusti samo sevanje. To sevanje je, kot predlagajo znanstveniki, odvisno le od mase črne luknje.
Predstavljajte si, da imamo dve knjigi - o absolutni neumnosti in o "grofu Monte Cristou" - ki vsebujeta različne količine informacij, vendar v masi enake. Mečemo jih v enake črne luknje, od katerih pričakujemo, da bodo prejeli enakovredno Hawkingovo sevanje. Za zunanjega opazovalca je vse videti, kot da se informacije uničujejo, in glede na to, kar vemo o entropiji, to ni mogoče, saj bi s tem kršil drugi zakon termodinamike.
Če zažgemo ti dve knjigi enake velikosti, bi spremembe v molekularni zgradbi, vrstnem redu črk na papirju in druge manjše razlike vsebovale informacije, ki bi nam lahko pomagale pri rekonstrukciji informacij v knjigah. Morda je popolna zmešnjava, a sama od sebe ne bo šla kamor koli. Kljub temu je informativni paradoks črnih lukenj resničen problem. Ko črna luknja izhlapi, v vesolju, ki ga je mogoče opaziti, ne ostane nobena sled te prvinske informacije.
Simulirano razpadanje črne luknje vodi ne le do oddajanja sevanja, temveč tudi do razpada centralne vrteče se mase, ki ohranja večino predmetov stabilno. Črne luknje so nestatični predmeti, ki se sčasoma spreminjajo. Na obzorju dogodkov bi morale črne luknje iz različnih materialov vsebovati različne informacije.
Morda še ni rešitve za ta paradoks in predstavlja resno težavo za fiziko. Kljub temu obstajata dve možnosti za njeno možno rešitev:
1. Informacije se med izhlapevanjem črne luknje popolnoma uničijo, kar pomeni, da so s tem postopkom povezani novi fizikalni zakoni.
2. Izpuščena sevanja nekako vsebujejo te podatke, zato je Hawkingovo sevanje nekaj več, kot je znanost znana.
Večina ljudi, ki delajo na tej težavi, verjame, da mora obstajati nek način, kako se informacije, shranjene na površini črne luknje, "vtisnejo" v odhajajoče sevanje. Vendar nihče ne ve natančno, kako se to zgodi. Morda informacije na površini črne luknje vnašajo kvantne popravke v izključno toplotno stanje Hawkingovega sevanja? Mogoče, vendar še ni dokazano. Danes obstaja veliko hipotetičnih rešitev tega paradoksa, vendar nobena od njih še ni potrjena.
Informativni paradoks črnih lukenj ni odvisen od tega, ali je narava kvantnega vesolja determinirana ali nedeterministična, katera kvantna interpretacija vam je ljubša, ali obstajajo skrite spremenljivke in številni drugi vidiki narave resničnosti. In čeprav številne predlagane rešitve vključujejo holografsko načelo, še ni znano, ali igra kakšno vlogo pri končni rešitvi paradoksa.
Vladimir Guillen