Universum är en fantastisk och konstig plats fylld med oförklarliga fenomen. Ett sådant fenomen, informationsparadoxen om svarthålet, verkar bryta mot en grundläggande fysikalisk lag.
Händelseformen för ett svart hål anses vara den sista gränsen: en gång bortom det kan ingenting lämna det svarta hålet, inte ens ljus. Men gäller detta information som sådan? Kommer hon att försvinna för alltid i det svarta hålet som allt annat?
Först och främst måste vi förstå att informationsparadoxen för svarta hål inte är relaterad till hur vi är vana att förstå information. När vi tänker på orden som skrivs ut i en bok, antalet bitar och byte i en datorfil, eller konfigurationer och kvantitetsegenskaper för partiklarna som utgör ett system, tänker vi på information som den kompletta uppsättningen av allt vi behöver för att återskapa allt från början.
Denna traditionella definition av information är emellertid inte en direkt fysisk egenskap som kan mätas eller beräknas, eftersom den till exempel kan göras med temperatur. Lyckligtvis för oss finns det en fysisk egenskap som vi kan definiera som motsvarande information - entropi. I stället för att tänka på entropi som ett mått på störning, bör det betraktas som den "saknade" information som behövs för att bestämma det specifika mikrostatet i ett system.
När ett svart hål absorberar massa bestäms mängden entropi av ett ämne av dess fysiska egenskaper. Men inuti ett svart hål är det bara egenskaper som massa, laddning och vinkelmoment. För att bevara den andra termodynamiklagen utgör detta ett allvarligt problem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS När ett svart hål absorberar massa, bestäms mängden entropi av materia av dess fysiska egenskaper. Men inuti ett svart hål är det bara egenskaper som massa, laddning och vinkelmoment. Detta utgör ett allvarligt problem för bevarande av termodynamikens andra lag.
Det finns vissa regler i universum som entropi måste följa. Den andra termodynamiklagen kan kallas den mest oförstörbara av dem alla: ta något system, låt inget komma in eller lämna det - och dess entropi kommer aldrig plötsligt att minska.
Ett trasigt ägg samlas inte tillbaka i sitt skal, varmt vatten separeras aldrig i varma och kalla delar, och aska samlas aldrig i formen på föremålet som det var innan det brändes. Allt detta skulle vara ett exempel på minskande entropi, och uppenbarligen händer inget sådant i naturen av sig själv. Entropin kan förbli densamma och öka under de flesta omständigheter, men den kan aldrig återgå till ett lägre tillstånd.
Det enda sättet att artificiellt minska entropin är att införa energi i systemet, och därmed "lura" den andra lagen för termodynamik, vilket ökar entropin utanför detta system med ett större värde än det minskar i detta system. Städning av hus är ett bra exempel. Med andra ord kan du inte bli av med entropi.
Kampanjvideo:
Så vad händer när ett svart hål matar på materien? Låt oss föreställa oss att vi kastar en bok i ett svart hål. De enda egenskaperna vi kan tillskriva ett svart hål är ganska vardagliga: massa, laddning och vinkelmoment. Boken innehåller information, men när du kastar den i ett svart hål ökar den bara sin massa. Ursprungligen, när forskare började studera detta problem, trodde man att entropin för ett svart hål är noll. Men om så var fallet, skulle det att bryta något i ett svart hål alltid bryta mot termodynamikens andra lag. Vilket är naturligtvis omöjligt.
Massan för ett svart hål är den enda avgörande faktorn i händelseshorisontens radie för ett icke-roterande, isolerat svart hål. Under en lång tid trodde man att svarta hål är statiska föremål i universumets rymdtid.
Men hur beräknar du entropin för ett svart hål?
Denna idé kan spåras tillbaka till John Wheeler och tänker på vad som händer med ett föremål när det faller in i ett svart hål ur en observatørs perspektiv långt från händelseshorisonten. På stort avstånd verkar det för oss att en person som faller i ett svart hål asymptotiskt närmar sig händelseshorisonten, rodnar mer och mer på grund av den gravitationella rödskiftningen och oändligt länge rör sig mot horisonten på grund av effekten av relativistisk tidsutvidgning. Således skulle information från något som föll i ett svart hål förbli "krypterat" på ytan.
Detta löser problemet elegant och låter rimligt. När något faller i ett svart hål ökar dess massa. Med ökande massa ökar dess radie också, och därmed ytområdet. Ju större ytarea, desto mer information kan krypteras.
Detta innebär att entropin för ett svart hål inte alls är noll, utan tvärtom - enormt. Trots att händelseshorisonten är relativt liten jämfört med universumets storlek är mängden utrymme som krävs för att spela in en kvantbit lite, vilket innebär att otroliga mängder information kan registreras på ytan av ett svart hål. Entropin ökar, information bevaras och lagarna för termodynamik bevaras. Du kan sprida, eller hur?
Informationsbitar som är proportionella mot händelseshorisontens ytarea kan kodas på ytan av ett svart hål.
Inte riktigt. Poängen är att om svarta hål har entropi måste de också ha temperatur. Som med alla andra föremål med temperatur, bör strålning komma från dem.
Som Stephen Hawking demonstrerade utsänder svarta hål strålning i ett specifikt spektrum (spektrumet för en svart kropp) och vid en specifik temperatur, bestämd av det svarta hålets massa. Med tiden leder denna strålning av energi till att förlora sin massa av det svarta hålet, enligt den berömda Einstein-ekvationen: E = mc ^ 2. Om energi släpps ut måste den komma från någonstans, och att”någonstans” måste vara det svarta hålet i sig. Med tiden kommer det svarta hålet att förlora sin massa snabbare och snabbare, och vid en tidpunkt - i en avlägsen framtid - kommer det att avdunsta helt i ett starkt ljus.
Men om ett svart hål avdunstar i svartkroppsstrålning, bestämt endast av dess massa, vad händer med all information och entropi som registrerats i dess händelseshorisont? Du kan ju inte bara förstöra den här informationen?
Det här är roten till informationsparadoxet om svarthålet. Det svarta hålet måste ha en hög entropi, som innehåller all information om vad som skapade det. Information om fallande föremål registreras på ytan av händelseshorisonten. Men när ett svart hål sönderfaller genom Hawking-strålning, försvinner händelseshorisonten och lämnar endast strålning. Denna strålning beror, som forskare föreslår, endast på det svarta hålets massa.
Föreställ dig att vi har två böcker - om absolut nonsens och "The Count of Monte Cristo" - som innehåller olika mängder information, men identiska i massa. Vi kastar dem i identiska svarta hål, från vilka vi räknar med att få motsvarande Hawking-strålning. För en extern observatör ser allt ut som information förstörs, och med tanke på vad vi vet om entropi är detta omöjligt, eftersom det skulle bryta mot den andra termodynamiklagen.
Om vi bränner dessa två böcker av samma storlek skulle variationerna i molekylstruktur, ordningen på bokstäverna på papperet och andra mindre skillnader innehålla information som kan hjälpa oss att rekonstruera informationen i böckerna. Det kan vara en fullständig röra, men den kommer inte att gå någonstans på egen hand. Icke desto mindre är informationsparadoxen med svarta hål ett verkligt problem. När det svarta hålet förångas kvarstår inget spår av denna ursprungliga information i det observerbara universum.
Det simulerade sönderfallet av ett svart hål leder inte bara till strålning, utan också till sönderfallet av den centrala roterande massan, vilket håller de flesta föremål stabila. Svarta hål är icke-statiska föremål som förändras över tid. Emellertid på händels horisonter bör svarta hål bildade av olika material bibehålla olika information.
Kanske finns det ingen lösning på denna paradox ännu och den utgör ett allvarligt problem för fysiken. Ändå finns det två alternativ för dess möjliga lösning:
1. Information förstörs helt under avdunstningen av ett svart hål, vilket innebär att nya fysiska lagar är förknippade med denna process.
2. Den utsända strålningen innehåller på något sätt denna information, därför är Hawking-strålning något mer än vetenskapen känner till.
De flesta människor som arbetar med detta problem tror att det måste finnas något sätt på vilket informationen som är lagrad på ytan av det svarta hålet "påtryckts" i den utgående strålningen. Ingen vet emellertid exakt hur detta händer. Kanske informationen på ytan av det svarta hålet introducerar kvantkorrigeringar av Hawking-strålningens uteslutande termiska tillstånd? Kanske, men det har inte bevisats ännu. Idag finns det många hypotetiska lösningar på denna paradox, men ingen av dem har ännu bekräftats.
Informationsparadoxen med svarta hål beror inte på om kvantuniversumets natur är deterministisk eller icke-deterministisk, vilken kvanttolkning du föredrar, om det finns dolda variabler och många andra aspekter av verklighetens natur. Och även om många av de föreslagna lösningarna inkluderar den holografiska principen, är det ännu inte känt om det spelar någon roll i den slutliga lösningen av paradoxen.
Vladimir Guillen
