Wszechświat jest niesamowitym i dziwnym miejscem wypełnionym niewytłumaczalnymi zjawiskami. Wydaje się, że jedno z takich zjawisk, paradoks informacji o czarnej dziurze, narusza fundamentalne prawo fizyki.
Horyzont zdarzeń czarnej dziury jest uważany za ostatnią granicę: po przekroczeniu czarnej dziury nic nie może opuścić czarnej dziury, nawet światło. Ale czy dotyczy to informacji jako takich? Czy na zawsze zaginie w czarnej dziurze, jak wszystko inne?
Przede wszystkim musimy zrozumieć, że paradoks informacyjny czarnych dziur nie jest związany z tym, jak jesteśmy przyzwyczajeni do postrzegania informacji. Kiedy myślimy o słowach wydrukowanych w książce, liczbie bitów i bajtów w pliku komputerowym lub konfiguracjach i właściwościach kwantowych cząstek tworzących system, myślimy o informacjach jako o kompletnym zestawie wszystkiego, czego potrzebujemy, aby odtworzyć cokolwiek od podstaw.
Jednak ta tradycyjna definicja informacji nie jest bezpośrednią właściwością fizyczną, którą można zmierzyć lub obliczyć, jak na przykład można to zrobić w przypadku temperatury. Na szczęście dla nas istnieje fizyczna właściwość, którą możemy określić jako odpowiednik informacji - entropia. Zamiast myśleć o entropii jako o mierniku zaburzenia, należy ją traktować jako „brakującą” informację potrzebną do określenia specyficznego mikropaństwa systemu.
Kiedy czarna dziura pochłania masę, wielkość entropii substancji zależy od jej właściwości fizycznych. Jednak wewnątrz czarnej dziury istnieją tylko właściwości, takie jak masa, ładunek i moment pędu. Dla zachowania drugiej zasady termodynamiki stwarza to poważny problem / & kopia; NASA / CXC / M. WEISS Kiedy czarna dziura pochłania masę, wielkość entropii materii zależy od jej właściwości fizycznych. Jednak wewnątrz czarnej dziury istnieją tylko właściwości, takie jak masa, ładunek i moment pędu. Stanowi to poważny problem dla zachowania drugiej zasady termodynamiki.
We wszechświecie istnieją pewne zasady, których musi przestrzegać entropia. Drugą zasadę termodynamiki można nazwać najbardziej niezniszczalną z nich wszystkich: weź dowolny system, nie pozwól, aby do niego weszło ani nie opuściło - a jej entropia nigdy nagle się nie zmniejszy.
Rozbite jajko nie zbiera się z powrotem w skorupce, ciepła woda nigdy nie rozdziela się na gorące i zimne części, a popiół nigdy nie zbiera się do kształtu przedmiotu, którym był przed spaleniem. Wszystko to byłoby przykładem malejącej entropii i oczywiście nic takiego nie dzieje się samo w sobie. Entropia może pozostać taka sama i wzrastać w większości przypadków, ale nigdy nie może powrócić do niższego stanu.
Jedynym sposobem sztucznego zmniejszenia entropii jest wprowadzenie energii do układu, a tym samym „oszukanie” drugiej zasady termodynamiki, zwiększając entropię zewnętrzną w stosunku do tego układu o większą wartość niż zmniejsza się w tym układzie. Sprzątanie domu to świetny przykład. Innymi słowy, nie możesz pozbyć się entropii.
Film promocyjny:
Więc co się dzieje, gdy czarna dziura żeruje na materii? Wyobraźmy sobie, że wrzucamy książkę do czarnej dziury. Jedyne właściwości, jakie możemy przypisać czarnej dziurze, są raczej przyziemne: masa, ładunek i moment pędu. Książka zawiera informacje, ale kiedy wrzucisz ją do czarnej dziury, tylko zwiększy jej masę. Początkowo, kiedy naukowcy zaczęli badać ten problem, sądzono, że entropia czarnej dziury wynosi zero. Ale gdyby tak było, umieszczenie czegoś w czarnej dziurze zawsze naruszałoby drugą zasadę termodynamiki. Co oczywiście jest niemożliwe.
Masa czarnej dziury jest jedynym czynnikiem determinującym promień horyzontu zdarzeń dla nierotującej, odizolowanej czarnej dziury. Przez długi czas uważano, że czarne dziury są statycznymi obiektami w czasoprzestrzeni Wszechświata.
Ale jak obliczyć entropię czarnej dziury?
Pomysł ten wywodzi się z Johna Wheelera, który myśli o tym, co dzieje się z obiektem wpadającym do czarnej dziury z perspektywy obserwatora z dala od horyzontu zdarzeń. Z dużej odległości wydawałoby się nam, że osoba wpadająca w czarną dziurę asymptotycznie zbliża się do horyzontu zdarzeń, rumieniąc się coraz bardziej z powodu grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni i nieskończenie długo zbliżając się do horyzontu z powodu efektu relatywistycznej dylatacji czasu. W ten sposób informacje z czegoś, co wpadło do czarnej dziury, pozostałyby „zaszyfrowane” na jej powierzchni.
To elegancko rozwiązuje problem i brzmi rozsądnie. Kiedy coś wpadnie do czarnej dziury, jego masa wzrasta. Wraz ze wzrostem masy zwiększa się również jego promień, a co za tym idzie powierzchnia. Im większa powierzchnia, tym więcej informacji można zaszyfrować.
Oznacza to, że entropia czarnej dziury nie jest wcale zerowa, a wręcz przeciwnie - ogromna. Pomimo faktu, że horyzont zdarzeń jest stosunkowo mały w porównaniu z rozmiarem Wszechświata, ilość miejsca wymagana do zarejestrowania jednego bitu kwantowego jest niewielka, co oznacza, że na powierzchni czarnej dziury można zarejestrować niewiarygodne ilości informacji. Entropia wzrasta, informacje są zachowane, a prawa termodynamiki są zachowane. Możesz się rozproszyć, prawda?
Na powierzchni czarnej dziury można zakodować fragmenty informacji proporcjonalne do powierzchni horyzontu zdarzeń.
Nie całkiem. Chodzi o to, że jeśli czarne dziury mają entropię, muszą mieć również temperaturę. Jak w przypadku każdego innego obiektu z temperaturą, promieniowanie powinno pochodzić z nich.
Jak wykazał Stephen Hawking, czarne dziury emitują promieniowanie w określonym widmie (widmo ciała czarnego) i w określonej temperaturze, określonej przez masę czarnej dziury. Z biegiem czasu to promieniowanie energii prowadzi do utraty jej masy przez czarną dziurę, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina: E = mc ^ 2. Jeśli energia jest emitowana, musi skądś pochodzić, a tym „gdzieś” musi być sama czarna dziura. Z biegiem czasu czarna dziura będzie tracić swoją masę coraz szybciej, aw pewnym momencie - w odległej przyszłości - całkowicie wyparuje w jasnym błysku światła.
Ale jeśli czarna dziura wyparuje w promieniowaniu ciała doskonale czarnego, determinowanym jedynie przez jej masę, co dzieje się z całą informacją i entropią zarejestrowaną na jej horyzoncie zdarzeń? W końcu nie możesz po prostu zniszczyć tych informacji?
To jest źródło paradoksu informacji o czarnej dziurze. Czarna dziura musi mieć wysoką entropię, która zawiera wszystkie informacje o tym, co ją stworzyło. Informacje o spadających obiektach są rejestrowane na powierzchni horyzontu zdarzeń. Ale kiedy czarna dziura rozpada się pod wpływem promieniowania Hawkinga, horyzont zdarzeń znika, pozostawiając tylko promieniowanie. To promieniowanie, jak sugerują naukowcy, zależy tylko od masy czarnej dziury.
Wyobraź sobie, że mamy dwie książki - o absolutnych bzdurach i „Hrabia Monte Christo” - zawierające różne ilości informacji, ale o identycznej masie. Wrzucamy je do identycznych czarnych dziur, z których spodziewamy się otrzymać równoważne promieniowanie Hawkinga. Dla obserwatora z zewnątrz wszystko wygląda na niszczenie informacji, a biorąc pod uwagę to, co wiemy o entropii, jest to niemożliwe, ponieważ naruszałoby to drugą zasadę termodynamiki.
Jeśli spalimy te dwie książki tej samej wielkości, różnice w budowie molekularnej, kolejność liter na papierze i inne drobne różnice będą zawierały informacje, które pomogą nam odtworzyć informacje zawarte w książkach. Może to być kompletny bałagan, ale sam nigdzie nie pójdzie. Niemniej jednak paradoks informacyjny czarnych dziur jest prawdziwym problemem. Gdy czarna dziura wyparuje, w obserwowalnym wszechświecie nie pozostaje żaden ślad tej pierwotnej informacji.
Symulowany rozpad czarnej dziury prowadzi nie tylko do emisji promieniowania, ale także do rozpadu centralnej wirującej masy, która utrzymuje stabilność większości obiektów. Czarne dziury to niestatyczne obiekty, które zmieniają się w czasie. Jednak w horyzontach zdarzeń czarne dziury utworzone z różnych materiałów powinny zawierać różne informacje.
Być może nie ma jeszcze rozwiązania tego paradoksu i stanowi on poważny problem dla fizyki. Niemniej jednak istnieją dwie możliwości jego rozwiązania:
1. Informacja zostaje całkowicie zniszczona podczas parowania czarnej dziury, co oznacza, że proces ten wiąże się z nowymi prawami fizyki.
2. Emitowane promieniowanie zawiera w jakiś sposób tę informację, dlatego promieniowanie Hawkinga jest czymś więcej niż jest znane nauce.
Większość ludzi zajmujących się tym problemem uważa, że musi istnieć sposób, w jaki informacje przechowywane na powierzchni czarnej dziury są „odciśnięte” w wychodzącym z niej promieniowaniu. Jednak nikt nie wie dokładnie, jak to się dzieje. Być może informacje na powierzchni czarnej dziury wprowadzają kwantowe poprawki wyłącznie do stanu termicznego promieniowania Hawkinga? Może, ale nie zostało to jeszcze udowodnione. Obecnie istnieje wiele hipotetycznych rozwiązań tego paradoksu, ale żadne z nich nie zostało jeszcze potwierdzone.
Informacyjny paradoks czarnych dziur nie zależy od tego, czy natura kwantowego wszechświata jest deterministyczna czy niedeterministyczna, którą interpretację kwantową preferujesz, czy istnieją ukryte zmienne i wiele innych aspektów natury rzeczywistości. I choć wiele z proponowanych rozwiązań zawiera zasadę holografii, to nie wiadomo jeszcze, czy odgrywa ona jakąkolwiek rolę w ostatecznym rozwiązaniu paradoksu.
Vladimir Guillen