Už juodosios skylės įvykio horizonto bendrojo reliatyvumo ir kvantinio lauko teorijos visiškai pakanka, kad būtų galima suprasti, kas vyksta; būtent tai yra Hokingo radiacija. Bet net ir šių dviejų derinys lemia informacijos paradoksą, kuris dar neišspręstas. (NASA)

„Black Hole“ informacijos paradoksas, didžiausias Stepheno Hawkingo galvosūkis, vis dar neišspręstas

Paradoksas yra tas, kurį pats Hawkingas tvirtino turėjęs sprendimą ne kartą, tačiau nė vienas iš pasiūlymų neatliktas. Paradoksas vis dar neišspręstas.

Praėjus Stephenui Hawkingui, mokslas neteko ne tik labiausiai atpažįstamo visuomenės veikėjo, bet ir žymaus juodųjų skylių pobūdžio tyrinėtojo. Nors jo baigiamasis darbas galėjo būti labiau sutelktas į kai kuriuos egzistencinius iššūkius, su kuriais šiandien susiduria kosmologija, jo didžiausias mokslinis įnašas buvo atskleisti keletą neįtikėtinų kvantinių tiesų apie Visatą, nagrinėjant kraštutinius jos objektus. Juodosios skylės, kurios, kaip manoma, buvo statinės, nesikeičiančios ir kurias apibrėžė tik jų masė, krūvis ir sukimasis, per jo darbą buvo transformuotos į nuolat tobulėjančius variklius, kurie turėjo temperatūrą, skleidė radiaciją ir ilgainiui išgaravo. Tačiau ši dabar priimta mokslinė išvada - darydama išvadą apie Hokingo radiacijos buvimą ir savybes - turėjo milžinišką reikšmę: tos juodosios skylės buvo būdas sunaikinti informaciją apie Visatą. Nepaisant šviesiausių pasaulio protų 40 metų darbo su šia problema, informacijos apie juodąją skylę paradoksas vis dar neišspręstas.

Kai masė praryja juodąją skylę, medžiagos entropijos kiekį lemia jos fizinės savybės. Bet juodosios skylės viduje svarbios tik tokios savybės kaip masė, krūvis ir kampinis impulsas. Jei antrasis termodinamikos dėsnis turi likti teisingas, tai kelia didelę sumaištį. Iliustracija: (NASA / CXC / M.Weiss; Rentgeno spinduliai (viršuje): NASA / CXC / MPE / S.Komossa ir kt. (L); Optiniai: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Antrasis termodinamikos dėsnis yra viena neliečiausių Visatos taisyklių: paimkite bet kokią jums patinkančią sistemą, neleiskite nieko įeiti ar išeiti iš jos, o jos entropija niekada savaime nesumažės. Kiaušiniai patys savaime neišplaka, šiltas vanduo niekada nesiskirsto į karštus ir šaltus skyrius, o pelenai neprilygsta objekto formai, kokia jie buvo prieš deginant. Visa tai būtų mažėjančios entropijos pavyzdys, ir tai savaime neįvyksta gamtoje. Entropija gali likti ta pati; daugeliu atvejų jis padidėja; bet ji niekada negali grįžti į žemesnės entropijos būseną. Tiesą sakant, vienintelis būdas dirbtinai sumažinti entropiją yra energijos siurbimas į sistemą, „apgaudinėjant“ antrąjį įstatymą, padidinant sistemos išorinę entropiją didesniu kiekiu, nei ji sumažėja jūsų sistemoje. (Namų valymas yra vienas iš tokių pavyzdžių.) Paprasčiau tariant, entropija niekada negali būti sunaikinta.

Juodosios skylės masė yra vienintelis lemiantis įvykio horizonto spindulio faktorius, nesukant besisukančios, izoliuotos juodosios skylės. Ilgą laiką buvo manoma, kad juodosios skylės yra statiniai objektai Visatos erdvės metu. (SXS komanda; Bohn ir kt., 2015)

Dėl juodųjų skylių ilgą laiką buvo galvojama, kad jų entropija yra nulinė, tačiau tai negalėjo būti teisinga. Jei tai, dėl ko jūs padarėte juodąsias skylutes, turėjo ne nulinę entropiją, tada, įmesdami tą medžiagą į juodąją skylę, entropija turės pakilti arba likti tokia pati; niekada negalėjo nusileisti. Juodosios skylės entropijos idėja kilo Johnui Wheeleriui, kuris galvojo apie tai, kas nutinka objektui, kai jis, stebėtojo akivaizdoje, patenka į juodąją skylę, esančią toli už įvykio horizonto. Žvelgiant iš toli, kažkas patenka į asimptotiką artėjant įvykio horizontui, dėl gravitacinio raudonojo poslinkio pasidaro raudonesnis ir raudonesnis, o horizontui pasiekti reikia be galo daug laiko, nes įsigalėjo relativistinis laiko išsiplėtimas. Taigi informacija iš visų, kas pateko, atrodo užkoduota pačios juodosios skylės paviršiaus plote.

Užkoduotas juodosios skylės paviršiuje gali būti informacijos kiekis, proporcingas įvykio horizonto paviršiaus plotui. (TB Bakkeris / Dr. JP van der Schaar, Amsterdamo universitetas)

Kadangi juodosios skylės masė lemia jos įvykio horizonto dydį, tai suteikė natūralią vietą juodosios skylės entropijai egzistuoti: įvykio horizonto paviršiaus plote. Staiga juodosios skylės patyrė didžiulę entropiją, pagrįstą kvantinių bitų, kurios gali būti užkoduotos tam tikro dydžio įvykių horizonte, skaičiumi. Bet viskas, kas turi entropiją, taip pat turi temperatūrą, tai reiškia, kad ji spinduliuoja. Kaip garsiai pademonstravo Hawkingas, juodosios skylės skleidžia tam tikro (juodo kūno) spektro ir temperatūros spinduliuotę, kurią apibūdina juodosios skylės masė. Laikui bėgant, dėl energijos garsaus Einsteino E = mc2, juodoji skylė praranda masę; Jei energija išleidžiama, ji turi būti iš kažkur atgabenama, o ta „kažkur“ turi būti pati juodoji skylė. Laikui bėgant juodoji skylė praras masę vis greičiau ir greičiau, kol tolimesnėje ateityje spinduliavimo šviesoje ji visiškai išgarins.

Iš pažiūros amžina amžinosios tamsos aplinka iškils vienas šviesos blyksnis: paskutinės juodosios skylės išgaravimas Visatoje. („ortega“ nuotraukos / „pixabay“)

Tai puiki istorija, tačiau ji turi problemų. Spinduliuotė, kurią skleidžia, yra grynai juodas kūnas, tai reiškia, kad ji turi tas pačias savybes, lyg mes būtume paėmę visiškai juodą daiktą ir įkaitinę jį iki tam tikros temperatūros. Taigi spinduliuotė yra visiškai vienoda visoms tam tikros masės juodosioms skylėms - ir tai yra smūgis - nepaisant to, kokia informacija yra ar nėra įspausta įvykio horizonte.

Tačiau pagal termodinamikos įstatymus to negali būti! Tai yra informacijos sunaikinimo atitikmuo ir yra būtent tai, ko negalima.

Atrodo, kad viskas, kas dega, gali būti sunaikinta, tačiau viskas apie iš anksto sudegintą būseną iš principo yra atkuriama, jei stebėsime viską, kas išeina iš ugnies. (Vieša nuosavybė)

Jei įrašysite dvi identiško dydžio knygas, turinčias labai skirtingą turinį, gali būti, kad praktiškai negalėsite rekonstruoti nė vienos knygos teksto, tačiau rašalo rašmenys ant popieriaus, molekulinės struktūros variacijos ir kiti minutiniai skirtumai turi informaciją, ir ta informacija lieka užkoduota dūmuose, pelenuose, aplinkiniame ore ir visose kitose žaidžiamose dalelėse. Jei galėtumėte savavališkai tiksliau stebėti aplink esančią aplinką ir įtraukti knygas, galėtumėte rekonstruoti visą norimą informaciją; jis sukramtytas, bet neprarastas.

Juodosios skylės informacijos paradoksas yra tas, kad visa informacija, kuri buvo įspausta juodosios skylės įvykio horizonte, jai išgaravus, nepaliko jokių pėdsakų mūsų stebimoje Visatoje.

Imituotas juodosios skylės skilimas lemia ne tik radiacijos išsiskyrimą, bet ir centrinės orbitoje esančios masės, kuri palaiko daugumą objektų stabilumą, irimą. Juodosios skylės nėra statiniai objektai, greičiau keičiasi. Tačiau iš skirtingų medžiagų sudarytų juodųjų skylių įvykių horizonte turėtų būti užkoduota skirtinga informacija (ES komunikacijos mokslas)

Tokį informacijos praradimą turėtų uždrausti kvantinės mechanikos taisyklės. Bet kurią sistemą galima apibūdinti kvantine bangos funkcija, o kiekviena bangos funkcija yra unikali. Jei laiku tobulinsite savo kvantinę sistemą, nėra taip, kad dvi skirtingos sistemos turėtų patekti į tą pačią galutinę būseną, tačiau būtent tai ir reiškia informacijos paradoksas. Kiek mes suprantame, turi įvykti vienas iš dviejų dalykų:

  1. Bet kuri informacija iš tikrųjų kažkaip sunaikinama, kai juodoji skylė išgaruoja, išmokydama mus, kad yra naujos taisyklės ir įstatymai, skirti juodosios skylės išgarinimui,
  2. Arba skleidžiama radiacija kažkodėl turi šią informaciją, tai reiškia, kad Hawkingo radiacija yra daugiau, nei rodo mūsų iki šiol atlikti skaičiavimai.

Šis paradoksas, praėjus daugiau nei keturiasdešimčiai metų nuo pirmojo pastebėjimo, vis tiek niekad nebuvo išspręstas.

Kvantinių svyravimų, sklindančių visoje erdvėje, iliustracija. Jei šie svyravimai bus kažkaip įspausti į iš juodosios skylės sklindančią Hawkingo radiaciją, gali būti, kad visa įvykio horizonte užkoduota informacija bus išsaugota. (NASA / CXC / M.Weiss)

Nors originalūs Hawkingo skaičiavimai rodo, kad garinimas per Hawkingo spinduliuotę sunaikina bet kokią informaciją, įspaustą juodosios skylės įvykio horizonte, šiuolaikinė mintis yra tokia, kad kažkas turi įvykti, kad užkoduotų tą informaciją išeinančioje radiacijoje. Daugelis fizikų kreipiasi į holografinį principą, pažymėdami, kad juodosios skylės paviršiuje užkoduota informacija taiko grynosios šiluminės Hawkingo spinduliuotės būsenos kvantinius pataisymus ir įspaudžia spinduliuotę, kai juodoji skylė išgaruoja ir įvykio horizontas susitraukia. Nepaisant to, kad Hawkingas, Johnas Preskillas, Kipas Thorne'as, Gerard'o Hooftas ir Leonardas Susskindas padarė lažybas ir paskelbė pergalę bei pralaimėjimą šios problemos atžvilgiu, paradoksas išlieka labai gyvas ir neišspręstas, be daugelio hipotezių sprendimų, išskyrus tą patį pristatyti čia.

Juodosios skylės įvykio horizontas yra sferinis arba sferoidinis regionas, iš kurio negali išeiti niekas, net šviesa. Prognozuojama, kad už įvykio horizonto ribų juodoji skylė skleis radiaciją. 1974 m. Hawkingo darbas buvo pirmasis, kuris tai parodė, ir tai, be abejo, buvo didžiausias jo mokslo laimėjimas. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) ir kt.; ESA)

Nepaisant visų mūsų pastangų, mes vis dar nesuprantame, ar informacija nutekėja iš juodosios skylės, kai ji skleidžia energiją (ir masę). Jei iš jos nutekėja informacija, neaišku, kaip ta informacija nutekėja ir kada ar kur suskaidomi pirminiai Hawkingo skaičiavimai. Pats Hawkingas, nepaisydamas daugiau nei prieš dešimtmetį pateikto argumento, toliau aktyviai publikavo šią temą, dažnai sakydamas, kad pagaliau išsprendė paradoksą. Tačiau paradoksas liko neišspręstas be aiškaus sprendimo. Ko gero, tai yra didžiausias palikimas, kurį galima tikėtis pasiekti moksle: atskleisti tokią sudėtingą problemą, kad sprendimas turėtų praeiti kelioms kartoms. Šiuo konkrečiu atveju dauguma sutinka, koks turėtų būti sprendimas, tačiau niekas nežino, kaip ten patekti. Kol mes to nepadarysime, tai liks tik dar viena nepalyginamų, mįslingų dovanų, kuriomis jis pasidalino su pasauliu, dalis Hawkingo.

„Starts With A Bang“ dabar yra „Forbes“ ir pakartotinai paskelbtas laikmenoje mūsų „Patreon“ rėmėjų dėka. Etanas yra parašęs dvi knygas „Beyond The Galaxy“ ir „Treknology: The Star of Trek Science of Tricorders to Warp Drive“.