Universul este un loc uimitor și ciudat, plin de fenomene inexplicabile. Un astfel de fenomen, paradoxul informațional al găurii negre, pare să încalce o lege fundamentală a fizicii.
Orizontul evenimentului unei găuri negre este considerat ultima frontieră: odată dincolo de ea, nimic nu poate părăsi gaura neagră, nici măcar ușoară. Dar aceasta se aplică informațiilor ca atare? Va fi pierdută pentru totdeauna în gaura neagră ca orice altceva?
În primul rând, trebuie să înțelegem că paradoxul informațional al găurilor negre nu are legătură cu modul în care suntem obișnuiți să percepem informația. Când ne gândim la cuvintele tipărite într-o carte, la numărul de biți și octeți dintr-un fișier de calculator sau la configurațiile și proprietățile cuantice ale particulelor care alcătuiesc un sistem, ne gândim la informații ca la setul complet de tot ce avem nevoie pentru a recrea orice de la zero.
Totuși, această definiție tradițională a informației nu este o proprietate fizică directă care poate fi măsurată sau calculată, deoarece, de exemplu, se poate face cu temperatura. Din fericire pentru noi, există o proprietate fizică pe care o putem defini ca echivalentă cu informația - entropia. În loc să se gândească la entropie ca o măsură de tulburare, ar trebui considerată informația „lipsă” necesară pentru a determina microstatul specific unui sistem.
Când o gaură neagră absoarbe masă, cantitatea de entropie a unei substanțe este determinată de proprietățile sale fizice. Cu toate acestea, în interiorul unei găuri negre, contează numai proprietăți, cum ar fi masa, sarcina și momentul unghiular. Pentru păstrarea celei de-a doua legi a termodinamicii, aceasta prezintă o problemă gravă / & copiere; NASA / CXC / M. WEISS Când o gaură neagră absoarbe masă, cantitatea de entropie a materiei este determinată de proprietățile sale fizice. Cu toate acestea, în interiorul unei găuri negre, contează numai proprietăți, cum ar fi masa, sarcina și momentul unghiular. Aceasta prezintă o problemă serioasă pentru păstrarea celei de-a doua legi a termodinamicii.
Există anumite reguli în univers pe care trebuie să le respecte entropia. A doua lege a termodinamicii poate fi numită cea mai indestructibilă dintre toate: ia orice sistem, nu lăsa nimic să intre sau să-l părăsească - iar entropia sa nu va scădea niciodată brusc.
Un ou spart nu se colectează din nou în coajă, apa caldă nu se separă niciodată în părți fierbinți și reci și cenușa nu se colectează niciodată în forma obiectului în care a fost înainte de a fi arsă. Toate acestea ar fi un exemplu de entropie în scădere și, evident, nimic ca acesta nu se întâmplă în natură de la sine. Entropia poate rămâne aceeași și crește în majoritatea circumstanțelor, dar nu se poate întoarce niciodată la o stare inferioară.
Singura modalitate de a reduce artificial entropia este introducerea energiei în sistem, „înșelând” a doua lege a termodinamicii, crescând entropia externă acestui sistem cu o valoare mai mare decât scade în acest sistem. Curățenia caselor este un exemplu excelent. Cu alte cuvinte, nu poți scăpa de entropie.
Video promotional:
Ce se întâmplă atunci când o gaură neagră se hrănește cu materie? Să ne imaginăm că aruncăm o carte într-o gaură neagră. Singurele proprietăți pe care le putem atribui unei găuri negre sunt mai degrabă banale: masă, sarcină și moment unghiular. Cartea conține informații, dar atunci când o arunci într-o gaură neagră, aceasta nu crește decât masa sa. Inițial, când oamenii de știință au început să studieze această problemă, se credea că entropia unei găuri negre este zero. Însă, dacă acesta ar fi fost cazul, introducerea ceva într-o gaură neagră ar încălca întotdeauna a doua lege a termodinamicii. Ceea ce, desigur, este imposibil.
Masa unei găuri negre este singurul factor determinant în raza orizontului evenimentului pentru o gaură neagră, neagră, izolată. Multă vreme, s-a crezut că găurile negre sunt obiecte statice în spațiul-timp al universului.
Dar cum calculezi entropia unei găuri negre?
Această idee poate fi urmărită înapoi la John Wheeler, gândindu-se la ce se întâmplă cu un obiect atunci când cade într-o gaură neagră din perspectiva unui observator, departe de orizontul evenimentului. De la mare distanță, ni s-ar părea că o persoană care se încadrează într-o gaură neagră se apropie asimptotic de orizontul evenimentului, înroșindu-se din ce în ce mai mult din cauza redshift-ului gravitațional și înaintând infinit de lung spre orizont datorită efectului dilatării relativiste a timpului. Astfel, informațiile din ceva care a căzut într-o gaură neagră ar rămâne „criptate” pe suprafața sa.
Acest lucru rezolvă elegant problema și sună rezonabil. Când ceva cade într-o gaură neagră, masa lui crește. Odată cu creșterea masei, raza sa crește și, de aceea, suprafața. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât mai multe informații pot fi criptate.
Aceasta înseamnă că entropia unei găuri negre nu este deloc zero, ba dimpotrivă - uriașă. În ciuda faptului că orizontul evenimentului este relativ mic în comparație cu dimensiunea universului, spațiul necesar pentru înregistrarea unui bit cuantic este mic, ceea ce înseamnă că se pot înregistra cantități incredibile de informații pe suprafața unei găuri negre. Entropia crește, informațiile sunt păstrate și legile termodinamicii sunt păstrate. Puteți dispersa, nu?
Bucățile de informații proporționale cu suprafața orizontului evenimentului pot fi codate pe suprafața unei găuri negre.
Nu chiar. Ideea este că, dacă găurile negre au entropie, trebuie să aibă și temperatură. Ca în orice alt obiect cu temperatură, radiațiile ar trebui să provină de la ele.
Așa cum a demonstrat Stephen Hawking, găurile negre emit radiații într-un spectru specific (spectrul unui corp negru) și la o temperatură specifică, determinată de masa găului negru. În timp, această radiație de energie duce la pierderea masei sale de către gaura neagră, conform celebrei ecuații Einstein: E = mc ^ 2. Dacă energia este emisă, aceasta trebuie să vină de undeva și că „undeva” trebuie să fie gaura neagră în sine. În timp, gaura neagră își va pierde din ce în ce mai repede masa și, la un moment dat - în viitorul îndepărtat - se va evapora complet într-o lumină strălucitoare de lumină.
Dar dacă o gaură neagră se evaporă în radiații ale unui om negru, determinată doar de masa sa, ce se întâmplă cu toate informațiile și entropia înregistrate pe orizontul său de eveniment? Până la urmă, nu poți doar distruge aceste informații?
Aceasta este rădăcina paradoxului informațional al găurii negre. Gaura neagră trebuie să aibă o entropie ridicată, care include toate informațiile despre ceea ce a creat-o. Informațiile despre obiectele care se încadrează sunt înregistrate pe suprafața orizontului evenimentului. Dar atunci când o gaură neagră se descompune prin radiația Hawking, orizontul evenimentului dispare, lăsând în urmă doar radiații. Această radiație, după cum sugerează oamenii de știință, depinde doar de masa găurii negre.
Imaginați-vă că avem două cărți - despre prostii absolute și „Contele de Monte Cristo” - care conțin cantități diferite de informații, dar identice în masă. Le aruncăm în găuri negre identice, din care ne așteptăm să primim radiații Hawking echivalente. Pentru un observator extern, totul pare că informațiile sunt distruse și, având în vedere ceea ce știm despre entropie, acest lucru este imposibil, deoarece ar încălca a doua lege a termodinamicii.
Dacă ardem aceste două cărți de aceeași dimensiune, variațiile structurii moleculare, ordinea literelor de pe hârtie și alte diferențe minore ar conține informații care ne-ar putea ajuta să reconstruim informațiile din cărți. Poate fi o mizerie completă, dar nu va merge nicăieri pe cont propriu. Cu toate acestea, paradoxul informațional al găurilor negre este o problemă reală. Odată ce gaura neagră se evaporă, nu există nicio urmă a acestei informații primordiale în universul observabil.
Decăderea simulată a unei găuri negre duce nu numai la emisia de radiații, ci și la descompunerea masei rotative centrale, care menține stabilitatea majorității obiectelor. Găurile negre sunt obiecte nestatice care se schimbă în timp. Cu toate acestea, pe orizonturile de eveniment, găurile negre formate din materiale diferite ar trebui să păstreze informații diferite.
Poate că nu există încă o soluție la acest paradox și prezintă o problemă serioasă pentru fizică. Cu toate acestea, există două opțiuni pentru soluția sa posibilă:
1. Informațiile sunt complet distruse în timpul evaporării unei găuri negre, ceea ce înseamnă că noi legi fizice sunt asociate cu acest proces.
2. Radiația emisă conține cumva aceste informații, prin urmare, radiația Hawking este ceva mai mult decât se știe știința.
Majoritatea oamenilor care lucrează la această problemă consideră că trebuie să existe o modalitate prin care informațiile stocate pe suprafața unei găuri negre să fie „imprimate” în radiațiile de ieșire. Cu toate acestea, nimeni nu știe exact cum se întâmplă acest lucru. Poate că informațiile de pe suprafața găurii negre introduc corecții cuantice la starea exclusiv termică a radiației Hawking? Poate, dar încă nu a fost dovedit. Astăzi există multe soluții ipotetice pentru acest paradox, dar niciuna dintre ele nu a fost încă confirmată.
Paradoxul informațional al găurilor negre nu depinde de faptul că natura universului cuantic este deterministă sau non-deterministă, ce interpretare cuantică preferi, dacă există variabile ascunse și multe alte aspecte ale naturii realității. Și deși multe soluții propuse includ principiul holografic, nu se știe încă dacă joacă vreun rol în soluția finală a paradoxului.
Vladimir Guillen
