Vesmír je úžasné a zvláštne miesto plné nevysvetliteľných javov. Zdá sa, že jeden taký jav, informačný paradox čiernej diery, porušuje základný fyzikálny zákon.
Horizont udalostí čiernej diery sa považuje za poslednú hranicu: akonáhle za ňou nemôže čierna diera opustiť nič, ani svetlo. Vzťahuje sa to však na informácie ako také? Bude navždy stratená v čiernej diere ako všetko ostatné?
V prvom rade musíme pochopiť, že informačný paradox čiernych dier nesúvisí s tým, ako sme zvyknutí vnímať informácie. Keď myslíme na slová vytlačené v knihe, počet bitov a bajtov v počítačovom súbore alebo konfigurácie a kvantové vlastnosti častíc, ktoré tvoria systém, myslíme na informácie ako na úplnú skupinu všetkého, čo potrebujeme na obnovenie všetkého od nuly.
Táto tradičná definícia informácií však nie je priamou fyzikálnou vlastnosťou, ktorú je možné merať alebo počítať, napríklad je možné ju vykonať pomocou teploty. Našťastie pre nás existuje fyzická vlastnosť, ktorú môžeme definovať ako ekvivalent informácie - entropie. Skôr než myslieť na entropiu ako na mieru poruchy, malo by sa to považovať za „chýbajúce“informácie potrebné na určenie špecifického mikrostavu systému.
Keď čierna diera absorbuje hmotu, množstvo entropie látky je určené jej fyzikálnymi vlastnosťami. Vo vnútri čiernej diery však záleží iba na vlastnostiach, ako je hmotnosť, náboj a moment hybnosti. Z dôvodu zachovania druhého termodynamického zákona to predstavuje vážny problém / kópia; NASA / CXC / M. WEISS Keď čierna diera absorbuje hmotu, množstvo entropie hmoty je určené jej fyzikálnymi vlastnosťami. Vo vnútri čiernej diery však záleží iba na vlastnostiach, ako je hmotnosť, náboj a moment hybnosti. To predstavuje vážny problém pre zachovanie druhého termodynamického zákona.
Vo vesmíre sú určité pravidlá, ktoré musí entropia dodržiavať. Druhý zákon termodynamiky je možné nazvať najviac nezničiteľným zo všetkých: vezmite akýkoľvek systém, nedovoľte, aby do neho vstúpilo alebo ho opustilo - a jeho entropia sa nikdy náhle nezníži.
Rozbité vajíčko sa nezhromažďuje späť do svojej škrupiny, teplá voda sa nikdy nerozdeľuje na horúce a studené časti a popol sa nikdy nezhromažďuje do tvaru predmetu, ktorý bol pred spálením. To všetko by bolo príkladom klesajúcej entropie a evidentne sa nič také nestane v prírode samo osebe. Entropia môže zostať rovnaká a vo väčšine prípadov sa môže zvýšiť, nikdy sa však nemôže vrátiť do nižšieho stavu.
Jediným spôsobom, ako umelo znížiť entropiu, je zaviesť do systému energiu, a tým „oklamať“druhý zákon termodynamiky a zvýšiť entropiu zvonku tohto systému o väčšiu hodnotu, ako v tomto systéme klesá. Upratovanie domu je skvelým príkladom. Inými slovami, nemôžete sa zbaviť entropie.
Propagačné video:
Čo sa stane, keď sa čierna diera živí látkou? Predstavme si, že hodíme knihu do čiernej diery. Jediné vlastnosti, ktoré môžeme pripísať čiernej diere, sú dosť svetské: hmotnosť, náboj a hybnosť. Kniha obsahuje informácie, ale keď ich hodíte do čiernej diery, zvyšuje sa iba jej hmotnosť. Keď vedci začali tento problém študovať, spočiatku sa predpokladalo, že entropia čiernej diery je nula. Keby to však tak bolo, keby niečo do čiernej diery bolo vždy v rozpore s druhým termodynamickým zákonom. Čo samozrejme nie je možné.
Hmotnosť čiernej diery je jediným určujúcim faktorom v polomere horizontu udalostí pre neotáčajúcu sa izolovanú čiernu dieru. Dlho sa verilo, že čierne diery sú statickými objektmi v časopriestore vesmíru.
Ako ale počítať entropiu čiernej diery?
Táto myšlienka sa dá vysledovať až po Johna Wheelera, ktorý premýšľa o tom, čo sa stane s objektom, keď spadne do čiernej diery z pohľadu pozorovateľa ďaleko od horizontu udalosti. Zdá sa nám, že z veľkej diaľky sa človek, ktorý upadne do čiernej diery, asymptoticky priblíži k horizontu udalostí, čím viac a viac červenal kvôli gravitačnému červenému posunu a nekonečne dlhému pohybu smerom k obzoru v dôsledku relativistickej dilatácie času. Informácie z niečoho, čo sa dostalo do čiernej diery, by teda zostali „šifrované“na svojom povrchu.
Tým sa problém elegantne vyrieši a znie to rozumne. Keď niečo spadne do čiernej diery, zvyšuje sa jej hmotnosť. S rastúcou hmotnosťou sa zväčšuje aj jej polomer, a tým aj plocha povrchu. Čím väčšia je plocha povrchu, tým viac informácií môže byť šifrovaných.
To znamená, že entropia čiernej diery nie je vôbec nula, ale naopak - obrovská. Napriek skutočnosti, že horizont udalostí je relatívne malý v porovnaní s veľkosťou vesmíru, množstvo priestoru potrebné na zaznamenanie jedného kvantového bitu je malé, čo znamená, že neuveriteľné množstvo informácií možno zaznamenať na povrch čiernej diery. Entropia sa zvyšuje, zachovávajú sa informácie a zachovávajú sa termodynamické zákony. Môžete sa rozptýliť, však?
Na povrchu čiernej diery môžu byť kódované bity informácií úmerné povrchovej ploche horizontu udalostí.
Nie naozaj. Ide o to, že ak majú čierne diery entropiu, musia mať tiež teplotu. Rovnako ako u iných objektov s teplotou by z nich malo pochádzať žiarenie.
Ako ukázal Stephen Hawking, čierne diery vyžarujú žiarenie v špecifickom spektre (spektrum čierneho telesa) a pri špecifickej teplote, určenej hmotnosťou čiernej diery. Podľa známeho Einsteinovej rovnice vedie toto žiarenie v priebehu času k strate hmoty čiernou dierou: E = mc ^ 2. Ak je energia emitovaná, musí pochádzať odniekiaľ a že „niekde“musí byť samotná čierna diera. Časom stratí čierna diera svoju hmotu rýchlejšie a rýchlejšie av jednom okamihu - v ďalekej budúcnosti - sa za jasného svetla svetla úplne odparí.
Ale ak sa čierna diera vyparuje v ožarovaní čiernych telies, určenom iba jej hmotnosťou, čo sa stane so všetkými informáciami a entropiou zaznamenanými v jej horizonte udalostí? Koniec koncov, nemôžete len zničiť tieto informácie?
Toto je koreň informačného paradoxu o čiernych dierach. Čierna diera musí mať vysokú entropiu, ktorá obsahuje všetky informácie o tom, čo ju vytvorilo. Informácie o padajúcich objektoch sa zaznamenávajú na povrch horizontu udalostí. Ale keď sa čierna diera rozpadne Hawkingovým žiarením, horizont udalostí zmizne a zostane len žiarenie. Vedci naznačujú, že toto žiarenie závisí iba od množstva čiernej diery.
Predstavte si, že máme dve knihy - o absolútnom nezmysle a „grófovi z Monte Cristo“- obsahujúce rôzne množstvá informácií, ale čo do hmotnosti. Hádzame ich do rovnakých čiernych dier, od ktorých očakávame, že dostanú ekvivalentné Hawkingove žiarenie. Podľa vonkajšieho pozorovateľa všetko vyzerá, že sa ničia informácie, a vzhľadom na to, čo vieme o entropii, je to nemožné, pretože by to porušilo druhý zákon termodynamiky.
Ak vypálime tieto dve knihy rovnakej veľkosti, zmeny molekulárnej štruktúry, poradie listov na papieri a ďalšie menšie rozdiely by obsahovali informácie, ktoré by nám mohli pomôcť rekonštruovať informácie v knihách. Môže to byť úplný neporiadok, ale nikam to samo nepôjde. Informačný paradox čiernych dier je napriek tomu skutočným problémom. Keď sa čierna diera vyparí, nezostane v pozorovateľnom vesmíre žiadna stopa tejto prvotnej informácie.
Simulovaný úpadok čiernej diery vedie nielen k vyžarovaniu žiarenia, ale aj k rozpadu centrálnej rotujúcej hmoty, ktorá udržuje väčšinu objektov stabilných. Čierne diery sú statické objekty, ktoré sa časom menia. V horizontoch udalostí by si však čierne diery vytvorené z rôznych materiálov mali uchovávať rôzne informácie.
Možno ešte neexistuje riešenie tohto paradoxu a predstavuje to vážny problém pre fyziku. Možné riešenie však má dve možnosti:
1. Informácie sa počas odparovania čiernej diery úplne zničia, čo znamená, že s týmto procesom sú spojené nové fyzikálne zákony.
2. Vyžarované žiarenie nejako obsahuje tieto informácie, a preto je Hawkingove žiarenie niečo viac, ako je známe vo vede.
Väčšina ľudí pracujúcich na tomto probléme sa domnieva, že musí existovať nejaký spôsob, ktorým sa informácie uložené na povrchu čiernej diery „vytlačia“do odchádzajúceho žiarenia. Nikto však presne nevie, ako sa to deje. Možno, že informácie na povrchu čiernej diery zavádzajú kvantové korekcie výhradne tepelného stavu Hawkingovho žiarenia? Možno, ale ešte sa to nepreukázalo. Dnes existuje veľa hypotetických riešení tohto paradoxu, ale žiadne z nich sa ešte nepotvrdilo.
Informačný paradox čiernych dier nezávisí od toho, či je povaha kvantového vesmíru deterministická alebo nedeterministická, ktorú kvantovú interpretáciu uprednostňujete, či existujú skryté premenné a mnoho ďalších aspektov povahy reality. A hoci mnohé z navrhovaných riešení zahŕňajú holografický princíp, nie je zatiaľ známe, či hrá nejakú úlohu pri konečnom riešení paradoxu.
Vladimir Guillen