Svemir je nevjerojatno i neobično mjesto ispunjeno neobjašnjivim pojavama. Čini se da jedan takav fenomen, paradoks informacija o crnoj rupi, krši temeljni zakon fizike.
Horizont događaja crne rupe smatra se zadnjom granicom: jednom izvan nje, ništa ne može napustiti crnu rupu, čak ni svjetlost. No, odnosi li se to na informacije kao takve? Hoće li se zauvijek izgubiti u crnoj rupi kao i sve drugo?
Prije svega, moramo razumjeti da informacijski paradoks crnih rupa nije povezan s načinom na koji smo navikli percipirati informacije. Kad pomislimo na riječi ispisane u knjizi, na broj bitova i bajtova u računalnoj datoteci ili konfiguracije i kvantna svojstva čestica koje čine sustav, mi podatke smatramo cjelovitim nizom svega što nam je potrebno da bismo ponovno stvorili bilo što.
Međutim, ova tradicionalna definicija informacija nije izravno fizičko svojstvo koje se može izmjeriti ili izračunati, kao što se, na primjer, može učiniti s temperaturom. Srećom po nas, postoji fizičko svojstvo koje možemo definirati kao ekvivalentno informaciji - entropija. Umjesto da se o entropiji razmišlja kao o mjeri poremećaja, treba razmišljati kao o "nedostajućim" informacijama potrebnim za određivanje specifičnog mikrostata sustava.
Kad crna rupa apsorbira masu, količina entropije neke tvari određuje se prema njenim fizičkim svojstvima. Međutim, unutar crne rupe su važna samo svojstva kao što su masa, naboj i moment kutova. Kako bi se sačuvao drugi zakon termodinamike, to predstavlja ozbiljan problem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Kada crna rupa apsorbira masu, količina entropije materije određuje se prema njenim fizičkim svojstvima. Međutim, unutar crne rupe su važna samo svojstva kao što su masa, naboj i moment kutova. Ovo predstavlja ozbiljan problem za očuvanje drugog zakona termodinamike.
U svemiru postoje određena pravila koja entropija mora slijediti. Drugi zakon termodinamike može se nazvati najrazorljivijim od svih njih: uzmite bilo koji sustav, ne dopustite da bilo što uđe ili ga napusti - i njegova entropija nikada se neće iznenada smanjiti.
Razbijeno jaje se ne sakuplja natrag u ljusku, topla voda se nikada ne odvaja na tople i hladne dijelove, a pepeo se nikada ne sakuplja u oblik predmeta kakav je bio prije spaljivanja. Sve bi ovo bio primjer smanjenja entropije, a očito se ništa takvo u prirodi ne događa. Entropija može ostati ista i povećati se u većini okolnosti, ali se nikad ne može vratiti u niže stanje.
Jedini način umjetnog smanjenja entropije je unošenje energije u sustav i na taj način „zavaravanje“drugog zakona termodinamike, povećanja entropije izvan ovog sustava za veću vrijednost nego što se smanjuje u ovom sustavu. Čišćenje kuće je sjajan primjer. Drugim riječima, ne možete se riješiti entropije.
Promotivni video:
Pa što se događa kad se crna rupa hrani materijom? Zamislimo da knjigu bacamo u crnu rupu. Jedina svojstva koja možemo pripisati crnoj rupi su prilično svjetovna: masa, naboj i zamah. Knjiga sadrži informacije, ali kad je bacite u crnu rupu, samo povećava svoju masu. U početku, kada su znanstvenici počeli proučavati ovaj problem, vjerovalo se da je entropija crne rupe jednaka nuli. Ali da je to slučaj, ulazak u crnu rupu uvijek bi kršio drugi zakon termodinamike. Što je, naravno, nemoguće.
Masa crne rupe jedini je odlučujući faktor u polumjeru horizonta događaja za izoliranu crnu rupu koja se ne rotira. Dugo se vjerovalo da su crne rupe statički predmeti u prostoru-vremenu svemira.
Ali kako izračunati entropiju crne rupe?
Ovu ideju možemo pratiti do Johna Wheelera, razmišljajući o onome što se događa s predmetom kada padne u crnu rupu iz perspektive promatrača daleko od horizonta događaja. Iz velike daljine činilo bi nam se da osoba koja pada u crnu rupu asimptotski se približava horizontu događaja, blješti sve više i više zbog gravitacijskog crvenog pomaka i beskonačno dugo kreće prema horizontu zbog efekta relativističkog dilatacije vremena. Dakle, informacije iz nečega što je palo u crnu rupu ostat će „šifrirane“na njenoj površini.
To rješava problem elegantno i zvuči razumno. Kad nešto padne u crnu rupu, njegova se masa povećava. S povećanjem mase raste i njegov polumjer, a samim tim i površina. Što je veća površina, to se više podataka može šifrirati.
To znači da entropija crne rupe uopće nije nula, već naprotiv - ogromna. Unatoč činjenici da je horizont događaja relativno mali u usporedbi s veličinom svemira, količina prostora potrebna za snimanje jednog kvantnog bita je mala, što znači da se na površini crne rupe mogu zabilježiti nevjerojatne količine informacija. Entropija se povećava, informacije se čuvaju i zakoni termodinamike su sačuvani. Možete se razići, zar ne?
Bitovi informacija proporcionalni površini horizonta događaja mogu se kodirati na površini crne rupe.
Ne baš. Poanta je u tome, ako crne rupe imaju entropiju, one moraju imati i temperaturu. Kao i kod bilo kojeg drugog objekta s temperaturom, zračenje bi trebalo doći od njih.
Kao što je pokazao Stephen Hawking, crne rupe emitiraju zračenje u specifičnom spektru (spektar crnog tijela) i na određenoj temperaturi, određenoj masom crne rupe. S vremenom ovo zračenje energije dovodi do gubitka njegove mase crnom rupom, prema poznatoj Einsteinovoj jednadžbi: E = mc ^ 2. Ako se energija emitira, ona mora dolaziti odnekud, a "negdje" mora biti i sama crna rupa. S vremenom će crna rupa sve brže i brže gubiti svoju masu, a u jednom će trenutku - u dalekoj budućnosti - potpuno ispariti u jarkom bljesku svjetlosti.
Ali ako crna rupa isparava zračenjem crnog tijela, određeno samo njegovom masom, što se događa sa svim podacima i entropijom zabilježenim na njenom horizontu događaja? Na kraju krajeva, te podatke ne možete jednostavno uništiti?
To je korijen paradoksa informacija o crnoj rupi. Crna rupa mora imati visoku entropiju, koja uključuje sve podatke o tome što ju je stvorilo. Podaci o padajućim objektima bilježe se na površini horizonta događaja. Ali kada crna rupa propadne kroz Hawkingovo zračenje, horizont događaja nestaje, ostavljajući iza sebe samo zračenje. To zračenje, kako znanstvenici sugeriraju, ovisi samo o masi crne rupe.
Zamislite da imamo dvije knjige - o apsolutnim glupostima i "Grof Monte Cristo" - koje sadrže različite količine informacija, ali u masi identične. Izbacujemo ih u identične crne rupe od kojih očekujemo da će dobiti ekvivalentno Hawkingovo zračenje. Za vanjskog promatrača sve izgleda kao da se informacije uništavaju, a s obzirom na ono što znamo o entropiji, to je nemoguće, jer bi se time prekršio drugi zakon termodinamike.
Ako ove dvije knjige snimimo iste veličine, tada će varijacije u molekularnoj strukturi, redoslijedu slova na papiru i druge male razlike sadržavati podatke pomoću kojih bismo mogli rekonstruirati podatke u knjigama. Možda je potpuna zbrka, ali sama neće nikamo otići. Bez obzira na to, informativni paradoks crnih rupa pravi je problem. Jednom kad crna rupa isparava, ni trag ove iskonske informacije ne ostaje u promatranom svemiru.
Simulirano propadanje crne rupe dovodi ne samo do emisije zračenja, već i do propadanja središnje rotirajuće mase, što drži većinu objekata stabilnim. Crne rupe su nestatični predmeti koji se vremenom mijenjaju. Međutim, u horizontima događaja, crne rupe oblikovane od različitih materijala trebale bi zadržati različite informacije.
Možda još nema rješenja za ovaj paradoks i on predstavlja ozbiljan problem za fiziku. Ipak, postoje dvije mogućnosti za njegovo moguće rješenje:
1. Informacije se u potpunosti uništavaju tijekom isparavanja crne rupe, što znači da su s ovim procesom povezani novi fizički zakoni.
2. Emitovano zračenje nekako sadrži ove informacije, dakle, Hawkingovo zračenje je nešto više nego što je nauci poznato.
Većina ljudi koji rade na ovom problemu vjeruje da mora postojati način na koji se informacije pohranjene na površini crne rupe „utisnu“u odlazno zračenje. Međutim, nitko ne zna točno kako se to događa. Možda informacija o površini crne rupe uvodi kvantne korekcije u isključivo toplinsko stanje Hawkingova zračenja? Možda, ali to još nije dokazano. Danas postoji mnogo hipotetičkih rješenja ovog paradoksa, ali nijedno od njih još nije potvrđeno.
Informacijski paradoks crnih rupa ne ovisi o tome je li priroda kvantnog svemira deterministička ili nedeterministička, koju kvantnu interpretaciju preferirate, postoje li skrivene varijable i mnogi drugi aspekti prirode stvarnosti. I premda mnoga predložena rješenja uključuju holografski princip, još nije poznato igra li on ikakvu ulogu u konačnom rješenju paradoksa.
Vladimir Guillen