Universumi on hämmästyttävä ja outo paikka, joka on täynnä selittämättömiä ilmiöitä. Yksi tällainen ilmiö, mustan aukon tietojen paradoksi, näyttää loukkaavan fysiikan peruslakia.
Mustan aukon tapahtumahorisonttia pidetään viimeisenä rajana: Kun se ylittää, mikään ei voi jättää mustaa reikää, edes valo. Mutta koskeeko tämä tietoa sellaisenaan? Häviääkö hän ikuisesti mustaan reikään kuten kaikki muutkin?
Ensinnäkin meidän on ymmärrettävä, että mustien reikien tietoparadoksi ei liity siihen, kuinka meitä tottutaan havaitsemaan tietoja. Kun ajattelemme kirjaan painettuja sanoja, bittien ja tavujen lukumäärää tietokoneessa tai tiedostoa muodostavien hiukkasten konfiguraatioita ja kvanttiominaisuuksia, ajattelemme tietoa täydellisenä kokonaisuutena kaikkea, mitä tarvitsemme uuden luomiseksi tyhjästä.
Tämä perinteinen tiedon määritelmä ei ole kuitenkaan suora fyysinen ominaisuus, jota voidaan mitata tai laskea, kuten se voidaan tehdä esimerkiksi lämpötilan avulla. Meille onneksi on olemassa fyysinen ominaisuus, jonka voimme määritellä vastaavaksi informaatiota - entropia. Sen sijaan, että ajateltaisiin entropiaa kuin häiriön mittaa, sitä tulisi ajatella "puuttuvana" informaationa, jota tarvitaan järjestelmän erityisen mikrotilan määrittämiseen.
Kun musta reikä imee massan, aineen entropian määrä määräytyy sen fysikaalisten ominaisuuksien perusteella. Kuitenkin mustan aukon sisällä on merkitystä vain sellaisille ominaisuuksille kuin massa, varaus ja kulmaliike. Termodynamiikan toisen lain säilyttämiseksi tämä on vakava ongelma / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Kun musta reikä imee massan, aineen entropian määrä määräytyy sen fysikaalisten ominaisuuksien perusteella. Kuitenkin mustan aukon sisällä on merkitystä vain sellaisille ominaisuuksille kuin massa, varaus ja kulmaliike. Tämä on vakava ongelma termodynamiikan toisen lain säilyttämiselle.
Universumissa on tiettyjä sääntöjä, joita entropian on noudatettava. Termodynamiikan toista lakia voidaan kutsua kaikkein tuhoutumattomimmaksi: ota mikä tahansa järjestelmä, älä anna minkään tulla tai jättää sitä - ja sen entropia ei koskaan yhtäkkiä heikkene.
Murtunut muna ei kerää takaisin kuoreensa, lämmin vesi ei koskaan jakaudu kuumiksi ja kylmiksi osiksi, eikä tuhka koskaan kerää esineen muotoon, joka se oli ennen polttamista. Kaikki tämä olisi esimerkki vähentyvästä entropiasta, eikä luonnollisestikaan mitään tällaista tapahdu luonnossa itsessään. Entropia voi pysyä samana ja kasvaa useimmissa olosuhteissa, mutta se ei voi koskaan palata alempaan tilaan.
Ainoa tapa vähentää keinotekoisesti entropiaa on viedä energiaa järjestelmään "pettämällä" näin termodynamiikan toinen laki, lisäämällä järjestelmän ulkopuolista entropiaa suurempi arvo kuin se vähenee tässä järjestelmässä. Talon siivous on loistava esimerkki. Toisin sanoen, et voi päästä eroon entropiasta.
Mainosvideo:
Joten mitä tapahtuu, kun musta aukko ruokkii ainetta? Kuvittelemme, että heitämme kirjan mustaan aukkoon. Ainoat ominaisuudet, jotka voimme määrittää mustalle aukolle, ovat melko arkipäiväisiä: massa, varaus ja kulmaliike. Kirja sisältää tietoja, mutta kun heittää sen mustaan aukkoon, se vain lisää sen massaa. Aluksi, kun tutkijat alkoivat tutkia tätä ongelmaa, uskottiin, että mustan aukon entropia on nolla. Mutta jos niin olisi, jostain pääseminen mustaan reikään rikkoisi aina termodynamiikan toista lakia. Mikä on tietysti mahdotonta.
Musta reiän massa on ainoa ratkaiseva tekijä tapahtumahorisontin säteessä pyörimättömälle, eristetylle mustalle aukolle. Kauan aikaa uskottiin, että mustat aukot ovat staattisia esineitä maailmankaikkeuden avaruus-ajassa.
Mutta kuinka voit laskea mustan aukon entropian?
Tämä ajatus voidaan jäljittää John Wheelerille, joka pohti, mitä tapahtuu esineelle, kun se putoaa mustaan reikään tarkkailijan näkökulmasta kaukana tapahtumahorisontista. Suudelta etäisyydeltä meille näyttää siltä, että mustaan reikään putoava ihminen asymptoottisesti lähestyy tapahtumahorisonttia, punastuu yhä enemmän painovoiman punasiirteen takia ja liikkuu äärettömän kauan horisonttia kohti relativistisen ajan dilataation vaikutuksesta. Siten tiedot jostakin, joka putosi mustaan reikään, pysyisivät "salattuina" sen pinnalle.
Tämä ratkaisee ongelman tyylikkäästi ja kuulostaa kohtuulliselta. Kun jokin putoaa mustaan reikään, sen massa kasvaa. Massan kasvaessa myös sen säde ja siten myös pinta-ala kasvaa. Mitä suurempi pinta-ala, sitä enemmän tietoa voidaan salata.
Tämä tarkoittaa, että mustan aukon entropia ei ole ollenkaan nolla, vaan päinvastoin - valtava. Huolimatta siitä, että tapahtumahorisontti on suhteellisen pieni verrattuna maailmankaikkeuden kokoon, yhden kvanttibitin tallentamiseen tarvittava tila on pieni, mikä tarkoittaa, että mustan aukon pintaan voidaan tallentaa uskomattomia määriä tietoa. Entropia kasvaa, tieto säilyy ja termodynamiikan lait säilyvät. Voit levittää, eikö niin?
Tiedot bittiä, jotka ovat verrannollisia tapahtumahorisontin pinta-alalle, voidaan koodata mustan aukon pintaan.
Ei oikeastaan. Asia on, jos mustissa reikissä on entroopia, niillä on myös oltava lämpötila. Kuten minkä tahansa muun esineen kanssa, jolla on lämpötila, säteilyn tulisi tulla niistä.
Kuten Stephen Hawking osoitti, mustat aukot lähettävät säteilyä tietyssä spektrissä (mustan rungon spektri) ja tietyssä lämpötilassa, joka määritetään mustan aukon massan perusteella. Ajan myötä tämä energian säteily johtaa sen massan menetykseen mustalla aukolla kuuluisan Einsteinin yhtälön mukaan: E = mc ^ 2. Jos energiaa vapautuu, sen on oltava peräisin jostakin, ja sen "jonnekin" on oltava itse musta reikä. Ajan myötä musta aukko menettää massansa nopeammin ja nopeammin, ja yhdessä vaiheessa - kaukaisessa tulevaisuudessa - se haihtuu kokonaan kirkkaassa valon salamassa.
Mutta jos musta aukko haihtuu mustan kappaleen säteilyssä, jonka määrittelee vain sen massa, mitä tapahtuu kaikelle tapahtumahorisonttiin tallennetulle informaatiolle ja entropialle? Loppujen lopuksi et voi vain tuhota näitä tietoja?
Tämä on mustan aukon tietojen paradoksin syy. Mustalla aukolla on oltava korkea entroopia, joka sisältää kaikki tiedot siitä, mikä sen loi. Tiedot putoavista esineistä tallennetaan tapahtumahorisontin pinnalle. Mutta kun musta reikä hajoaa Hawkingin säteilyn kautta, tapahtumahorisontti katoaa, jättäen taakse vain säteilyn. Tämä säteily, kuten tutkijat ehdottavat, riippuu vain mustan aukon massasta.
Kuvittele, että meillä on kaksi kirjaa - absoluuttisesta hölynpölystä ja "Monte Criston kreivistä" -, jotka sisältävät erilaisia määriä tietoa, mutta identtiset. Heitämme ne identtisiin mustiin reikiin, joista odotamme saavan vastaavan Hawking-säteilyn. Ulkopuoliselle tarkkailijalle kaikki näyttää siltä, että tieto tuhoutuu, ja ottaen huomioon sen, mitä tiedämme entropiasta, tämä on mahdotonta, koska se rikkoo termodynamiikan toista lakia.
Jos polttamme nämä kaksi samankokoista kirjaa, muutokset molekyylirakenteessa, kirjeiden järjestys paperilla ja muut pienet erot sisältävät tietoa, joka voi auttaa meitä palauttamaan kirjoissa olevat tiedot. Se voi olla täydellinen sotku, mutta se ei mene yksin. Siitä huolimatta mustien reikien tietoparadoksi on todellinen ongelma. Kun musta reikä on haihtunut, mitään jälkeä tästä ensitiedosta ei jää havaittavissa olevaan maailmankaikkeuteen.
Mustan aukon simuloitu rappeutuminen johtaa paitsi säteilypäästöihin myös myös pyörivän keskimassan rappeutumiseen, joka pitää useimmat esineet vakaina. Mustat aukot ovat ei-staattisia esineitä, jotka muuttuvat ajan myötä. Eri materiaaleista muodostettujen mustien reikien tulisi kuitenkin tapahtumahorisontissa säilyttää erilainen tieto.
Ehkä ei ole vielä ratkaisua tähän paradoksiin ja se on vakava ongelma fysiikalle. Mahdolliselle ratkaisulle on kuitenkin kaksi vaihtoehtoa:
1. Tiedot tuhoutuvat kokonaan mustan aukon haihtumisen yhteydessä, mikä tarkoittaa, että tähän prosessiin liittyy uusia fyysisiä lakeja.
2. Lähetetty säteily sisältää jotenkin tätä tietoa, joten Hawking-säteily on jotain muuta kuin tieteen tiedetään.
Useimmat tämän ongelman parissa työskentelevät ihmiset uskovat, että mustan aukon pintaan tallennetut tiedot on "painettava" lähtevään säteilyyn jollain tavalla. Kukaan ei kuitenkaan tiedä tarkalleen kuinka tämä tapahtuu. Ehkä mustan aukon pinnalla olevat tiedot tuovat esiin kvanttikorjaukset Hawkingin säteilyn yksinomaan termisessä tilassa? Ehkä, mutta sitä ei ole vielä todistettu. Nykyään tähän paradoksiin on olemassa monia hypoteettisia ratkaisuja, mutta yhtäkään niistä ei ole vielä vahvistettu.
Mustien reikien tietoparadoksi ei riipu siitä, onko kvanttiuniversumin luonne deterministinen vai ei-deterministinen, mitä kvantitulkintaa suositte, onko piilotettuja muuttujia ja monia muita todellisuuden luonteen näkökohtia. Ja vaikka monet ehdotetuista ratkaisuista sisältävät holografisen periaatteen, ei vielä tiedä, onko sillä mitään merkitystä paradoksin lopulliseen ratkaisuun.
Vladimir Guillen