Universet er et fantastisk og rart sted fylt med uforklarlige fenomener. Et slikt fenomen, informasjonsparadokset om svart hull, ser ut til å bryte en grunnleggende fysikklov.
Arrangementets horisont for et svart hull anses som den siste grensen: når en gang utover det, kan ingenting forlate det sorte hullet, ikke engang lys. Men gjelder dette informasjon som sådan? Vil hun være tapt for alltid i det sorte hullet som alt annet?
Først av alt må vi forstå at informasjonsparadokset med sorte hull ikke er relatert til hvordan vi er vant til å oppfatte informasjon. Når vi tenker på ordene som er trykt i en bok, antall biter og byte i en datafil, eller konfigurasjonene og kvanteegenskapene til partiklene som utgjør et system, tenker vi på informasjon som det komplette settet med alt vi trenger for å gjenskape alt fra bunnen av.
Imidlertid er denne tradisjonelle definisjonen av informasjon ikke en direkte fysisk egenskap som kan måles eller beregnes, da den for eksempel kan gjøres med temperatur. Heldigvis for oss er det en fysisk egenskap som vi kan definere som tilsvarer informasjon - entropi. I stedet for å tenke på entropi som et mål på forstyrrelse, bør det tenkes som den "manglende" informasjonen som er nødvendig for å bestemme det spesifikke mikrostatet til et system.
Når et svart hull absorberer masse, bestemmes mengden entropi av et stoff av dets fysiske egenskaper. Innenfor et svart hull er det imidlertid bare egenskaper som masse, ladning og vinkelmoment. For å bevare den andre loven om termodynamikk, gir dette et alvorlig problem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Når et svart hull absorberer masse, bestemmes mengden entropi av materie av dets fysiske egenskaper. Innenfor et svart hull er det imidlertid bare egenskaper som masse, ladning og vinkelmoment. Dette gir et alvorlig problem for bevaring av den andre loven om termodynamikk.
Det er visse regler i universet som entropi må følge. Den andre loven om termodynamikk kan kalles den mest uforgjengelige av dem alle: ta ethvert system, ikke la noe komme inn eller forlate det - og dens entropi vil aldri plutselig avta.
Et ødelagt egg samles ikke tilbake i skallet, varmt vann skilles aldri i varme og kalde deler, og aske samler seg aldri inn i formen til gjenstanden det var før det brant. Alt dette ville være et eksempel på avtagende entropi, og tydeligvis skjer ikke noe i naturen av seg selv. Entropi kan forbli den samme og øke under de fleste omstendigheter, men den kan aldri komme tilbake til en lavere tilstand.
Den eneste måten å kunstig redusere entropi er å introdusere energi i systemet, og derved "lure" den andre loven om termodynamikk, og øke entropien utenfor dette systemet med en større verdi enn den avtar i dette systemet. Husrengjøring er et flott eksempel. Med andre ord kan du ikke bli kvitt entropi.
Salgsfremmende video:
Så hva skjer når et svart hull mater på materien? La oss forestille oss at vi kaster en bok i et svart hull. De eneste egenskapene vi kan tilskrive et svart hull er ganske hverdagslige: masse, ladning og kantet fart. Boken inneholder informasjon, men når du kaster den ned i et svart hull, øker den bare massen. Opprinnelig, da forskere begynte å studere dette problemet, ble det antatt at entropien til et svart hull er null. Men hvis det var tilfelle, ville det å komme noe i et svart hull alltid være i strid med termodynamikkens andre lov. Noe som selvfølgelig er umulig.
Massen til et svart hull er den eneste bestemmende faktoren i radien til hendelseshorisonten for et ikke-roterende, isolert svart hull. I lang tid ble det antatt at sorte hull er statiske gjenstander i verdensrommet.
Men hvordan beregner du entropien til et svart hull?
Denne ideen kan spores tilbake til John Wheeler, ved å tenke på hva som skjer med en gjenstand når den faller inn i et svart hull fra en observatørs perspektiv langt fra hendelseshorisonten. Fra stor avstand ser det ut til at en person som faller i et svart hull asymptotisk nærmer seg begivenhetshorisonten, rødmer mer og mer på grunn av gravitasjonsrødskiftet og beveger seg uendelig mot horisonten på grunn av effekten av relativistisk tidsutvidelse. Dermed vil informasjon fra noe som falt i et svart hull forbli "kryptert" på overflaten.
Dette løser problemet elegant og høres rimelig ut. Når noe faller ned i et svart hull, øker massen. Med økende masse øker også dens radius, og derav overflaten. Jo større overflate, jo mer informasjon kan krypteres.
Dette betyr at entropien til et svart hull ikke i det hele tatt er null, men tvert imot - enormt. Til tross for at hendelseshorisonten er relativt liten sammenlignet med universets størrelse, er mengden plass som kreves for å registrere en kvantebit liten, noe som betyr at utrolige mengder informasjon kan registreres på overflaten av et svart hull. Entropien øker, informasjonen er bevart, og lovene for termodynamikk er bevart. Du kan spre, ikke sant?
Informasjonsbiter som er proporsjonale med overflaten av hendelseshorisonten, kan kodes på overflaten av et svart hull.
Ikke egentlig. Poenget er at hvis sorte hull har entropi, må de også ha temperatur. Som for alle andre gjenstander med temperatur, bør stråling komme fra dem.
Som Stephen Hawking demonstrerte, avgir sorte hull stråling i et spesifikt spektrum (spekteret til en svart kropp) og ved en spesifikk temperatur, bestemt av massen til det sorte hullet. Over tid fører denne strålingen av energi til tap av sin masse av det sorte hullet, i følge den berømte Einstein-ligningen: E = mc ^ 2. Hvis energi slippes ut, må den komme fra et sted, og at "et sted" må være selve det sorte hullet. Over tid vil det sorte hullet miste massen raskere og raskere, og på et tidspunkt - i fjern fremtid - vil det fordampe fullstendig i et sterkt lysglimt.
Men hvis et svart hull fordamper i svartkroppsstråling, bare bestemt av dens masse, hva skjer med all informasjonen og entropien som er registrert i hendelseshorisonten? Tross alt, kan du ikke bare ødelegge denne informasjonen?
Dette er roten til black hole informasjonsparadokset. Det sorte hullet må ha en høy entropi, som inkluderer all informasjonen om hva som skapte det. Informasjon om fallende gjenstander registreres på overflaten av hendelseshorisonten. Men når et svart hull forfaller gjennom Hawking-stråling, forsvinner hendelseshorisonten, og etterlater bare stråling. Som forskere antyder, avhenger denne strålingen bare av massen til det sorte hullet.
Se for deg at vi har to bøker - om absolutt tull og "The Count of Monte Cristo" - som inneholder forskjellige mengder informasjon, men identiske i masse. Vi kaster dem i identiske sorte hull, hvorfra vi forventer å motta ekvivalent Hawking-stråling. For en utenforstående observatør ser alt ut som informasjon blir ødelagt, og gitt det vi vet om entropi, er dette umulig, siden det ville være i strid med termodynamikkens andre lov.
Hvis vi brenner disse to bøkene av samme størrelse, ville variasjonene i molekylstruktur, rekkefølgen på bokstavene på papiret og andre små forskjeller inneholde informasjon som vi kunne rekonstruere informasjonen i bøkene. Det kan være et fullstendig rot, men det vil ikke gå noe sted på egen hånd. Ikke desto mindre er informasjonsparadokset med sorte hull et reelt problem. Når det sorte hullet fordamper, gjenstår ingen spor av denne urfolksinformasjonen i det observerbare universet.
Det simulerte forfallet av et svart hull fører ikke bare til utstråling av stråling, men også til forfallet av den sentrale roterende massen, som holder de fleste objekter stabile. Sorte hull er ikke-statiske gjenstander som endrer seg over tid. Imidlertid bør sorte hull som er dannet av forskjellige materialer, opprettholde forskjellig informasjon på hendelseshorisonter.
Kanskje er det ingen løsning på dette paradokset ennå, og det gir et alvorlig problem for fysikken. Likevel er det to alternativer for den mulige løsningen:
1. Informasjon blir fullstendig ødelagt under fordampingen av et svart hull, noe som betyr at nye fysiske lover er knyttet til denne prosessen.
2. Den utsendte strålingen inneholder på en eller annen måte denne informasjonen, derfor er Hawking-stråling noe mer enn vitenskapen vet.
De fleste som jobber med dette problemet mener at det må være en måte som informasjon som er lagret på overflaten av et svart hull "blir innprentet" i den utgående strålingen. Ingen vet imidlertid nøyaktig hvordan dette skjer. Kanskje informasjonen på overflaten av det sorte hullet introduserer kvante korreksjoner til den eksklusivt termiske tilstanden til Hawking-stråling? Kanskje, men det har ikke blitt bevist enda. I dag er det mange hypotetiske løsninger på dette paradokset, men ingen av dem er ennå bekreftet.
Informasjonsparadokset med sorte hull er ikke avhengig av om kvantuniversets natur er deterministisk eller ikke-deterministisk, hvilken kvantetolkning du foretrekker, om det er skjulte variabler og mange andre aspekter av virkelighetens natur. Og selv om mange av de foreslåtte løsningene inkluderer det holografiske prinsippet, er det foreløpig ikke kjent om det spiller noen rolle i den endelige løsningen av paradokset.
Vladimir Guillen
