Universet er et fantastisk og underligt sted fyldt med uforklarlige fænomener. Et sådant fænomen - informationsparadokset med sorte huller - synes at være i strid med en grundlæggende fysisk lov.
Begivenhedshorisonten for et sort hul betragtes som den sidste grænse: når man først er uden for det, kan intet forlade det sorte hul, ikke engang lys. Men gælder dette for information som sådan? Vil hun være tabt for evigt i det sorte hul som alt andet?
Først og fremmest må vi forstå, at informationsparadokset med sorte huller ikke er relateret til, hvordan vi er vant til at opfatte information. Når vi tænker på ordene, der er trykt i en bog, antallet af bit og byte i en computerfil, eller konfigurationer og kvanteegenskaber for partiklerne, der udgør et system, tænker vi på information som det komplette sæt af alt, hvad vi har brug for for at genskabe noget fra bunden.
Denne traditionelle definition af information er imidlertid ikke en direkte fysisk egenskab, der kan måles eller beregnes, da den f.eks. Kan gøres med temperatur. Heldigvis for os er der en fysisk egenskab, som vi kan definere som ækvivalent med information - entropi. I stedet for at tænke på entropi som et mål for forstyrrelse, bør det betragtes som den "manglende" information, der er nødvendig for at bestemme det specifikke mikrostat i et system.
Når et sort hul absorberer masse, bestemmes mængden af entropi af et stof af dets fysiske egenskaber. I et sort hul er der dog kun egenskaber som masse, ladning og vinkelmoment. For at bevare den anden lov om termodynamik udgør dette et alvorligt problem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Når et sort hul absorberer masse, bestemmes mængden af entropi af stof af dets fysiske egenskaber. I et sort hul er der dog kun egenskaber som masse, ladning og vinkelmoment. Dette udgør et alvorligt problem for bevarelse af den anden lov om termodynamik.
Der er visse regler i universet, som entropi skal følge. Den anden lov om termodynamik kan kaldes den mest uudslettelige af dem alle: tage ethvert system, lad ikke noget komme ind eller forlade det - og dens entropi vil aldrig pludselig falde.
Et brudt æg samles ikke tilbage i sin skal, varmt vand adskiller sig aldrig i varme og kolde dele, og aske samler sig aldrig i form af det objekt, det var, før det blev brændt. Alt dette ville være et eksempel på faldende entropi, og naturligvis sker der ikke noget i denne natur i sig selv. Entropi kan forblive den samme og stige under de fleste omstændigheder, men den kan aldrig vende tilbage til en lavere tilstand.
Den eneste måde at kunstigt reducere entropi er at introducere energi i systemet og derved "narre" den anden lov om termodynamik, hvilket øger entropien uden for dette system med en større værdi end den falder i dette system. Rengøring af hus er et godt eksempel. Med andre ord kan du ikke slippe af med entropi.
Salgsfremmende video:
Så hvad sker der, når et sort hul nærer sig materie? Lad os forestille os, at vi kaster en bog i et sort hul. De eneste egenskaber, vi kan tilskrive et sort hul, er temmelig jordiske: masse, ladning og vinkelmoment. Bogen indeholder information, men når du kaster den i et sort hul, øger den kun dens masse. Oprindeligt, da forskere begyndte at undersøge dette problem, blev det antaget, at entropien af et sort hul er nul. Men hvis det var tilfældet, ville det at krænke noget i et sort hul altid være i strid med termodynamikens anden lov. Hvilket selvfølgelig er umuligt.
Massen af et sort hul er den eneste bestemmende faktor i radius for begivenhedshorisonten for et ikke-roterende, isoleret sort hul. I lang tid blev det antaget, at sorte huller er statiske genstande i universets rumtid.
Men hvordan beregner du entropien af et sort hul?
Denne idé kan spores tilbage til John Wheeler og tænker over, hvad der sker med et objekt, når det falder i et sort hul fra en observatørs perspektiv langt fra begivenhedshorisonten. Fra en stor afstand ser det ud til, at en person, der falder ned i et sort hul, asymptotisk nærmer sig begivenhedshorisonten, rødmer mere og mere på grund af den tyngde rødskift og uendeligt lang bevægelse mod horisonten på grund af effekten af relativistisk tidsudvidelse. Således vil information fra noget, der faldt i et sort hul, forblive "krypteret" på dens overflade.
Dette løser problemet elegant og lyder rimeligt. Når noget falder ned i et sort hul, stiger dens masse. Med stigende masse øges dens radius også, og dermed overfladearealet. Jo større overflade, jo mere information kan krypteres.
Dette betyder, at entropien af et sort hul slet ikke er nul, men tværtimod - enormt. På trods af det faktum, at begivenhedshorisonten er relativt lille sammenlignet med universets størrelse, er den plads, der kræves til at registrere en kvantebit, lille, hvilket betyder, at utrolige mængder information kan registreres på overfladen af et sort hul. Entropien øges, information bevares, og termodynamikens love bevares. Du kan sprede, ikke?
Informationsstykker, der er proportionale med overfladearealet af begivenhedshorisonten, kan kodes på overfladen af et sort hul.
Ikke rigtig. Pointen er, hvis sorte huller har entropi, skal de også have temperatur. Som med alle andre genstande med temperatur, bør stråling komme fra dem.
Som Stephen Hawking demonstrerede udsender sorte huller stråling i et specifikt spektrum (spektret af et sort legeme) og ved en bestemt temperatur, bestemt af det sorte huls masse. Over tid får denne stråling af energi det sorte hul til at miste sin masse ifølge den berømte Einstein-ligning: E = mc ^ 2 Hvis der udsendes energi, skal den komme fra et sted, og at "et eller andet sted" skal være selve det sorte hul. Over tid vil det sorte hul miste sin masse hurtigere og hurtigere, og på et tidspunkt - i en fjern fremtid - vil det helt fordampe i en lys lysglimt.
Men hvis et sort hul fordamper i sortkropsstråling, der kun bestemmes af dens masse, hvad sker der med al den information og entropi, der er registreret i dens begivenhedshorisont? Når alt kommer til alt kan du ikke bare ødelægge disse oplysninger?
Dette er roden til informationsparadokset med sorte huler. Det sorte hul skal have en høj entropi, der indeholder alle oplysninger om, hvad der skabte det. Oplysninger om faldende genstande registreres på overfladen af begivenhedshorisonten. Men når et sort hul forfalder gennem Hawking-stråling, forsvinder begivenhedshorisonten, hvilket kun efterlader stråling. Som forskere antyder, er denne stråling kun afhængig af det sorte huls masse.
Forestil dig, at vi har to bøger - om absolut vrøvl og "The Count of Monte Cristo" - der indeholder forskellige mængder information, men identiske i masse. Vi kaster dem i identiske sorte huller, hvorfra vi forventer at modtage ækvivalent Hawking-stråling. For en ekstern observatør ser alt ud til, at information ødelægges, og i betragtning af hvad vi ved om entropi, er dette umuligt, da det ville være i strid med termodynamikens anden lov.
Hvis vi brænder disse to bøger i samme størrelse, ville variationerne i molekylstruktur, rækkefølgen af bogstaverne på papiret og andre mindre forskelle indeholde oplysninger, der kan hjælpe os med at rekonstruere informationen i bøgerne. Det kan være et komplet rod, men det går ikke noget sted på egen hånd. Ikke desto mindre er informationsparadokset med sorte huller et reelt problem. Når det sorte hul fordamper, forbliver der ingen spor af denne oprindelige information i det observerbare univers.
Det simulerede henfald af et sort hul fører ikke kun til udsendelse af stråling, men også til henfaldet af den centrale roterende masse, som holder de fleste objekter stabile. Sorte huller er ikke-statiske genstande, der ændrer sig over tid. På begivenhedshorisonter skal sorte huller, der er dannet af forskellige materialer, dog have forskellige oplysninger.
Måske er der endnu ingen løsning på dette paradoks, og det udgør et alvorligt problem for fysik. Ikke desto mindre er der to muligheder for dens mulige løsning:
1. Oplysninger ødelægges fuldstændigt under fordampningen af et sort hul, hvilket betyder, at nye fysiske love er forbundet med denne proces.
2. Den udsendte stråling indeholder på en eller anden måde disse oplysninger, derfor er Hawking-stråling noget mere end videnskaben kender.
De fleste af de mennesker, der arbejder med dette problem, mener, at der skal være en måde, hvorpå informationen, der er gemt på overfladen af det sorte hul, "præget" i den udgående stråling. Ingen ved dog nøjagtigt, hvordan dette sker. Måske introducerer informationen på overfladen af det sorte hul kvantekorrektioner af den udelukkende termiske tilstand af Hawking-stråling? Måske, men det er ikke blevet bevist endnu. I dag er der mange hypotetiske løsninger på dette paradoks, men ingen af dem er endnu bekræftet.
Informationsparadokset med sorte huller afhænger ikke af, hvorvidt kvanteuniversets natur er deterministisk eller ikke-deterministisk, hvilken kvantetolkning, du foretrækker, om der er skjulte variabler og mange andre aspekter af virkelighedens natur. Og selvom mange af de foreslåede løsninger inkluderer det holografiske princip, er det endnu ikke kendt, om det spiller nogen rolle i den endelige løsning af paradokset.
Vladimir Guillen