Universum on hämmastav ja kummaline koht, mis on täis seletamatuid nähtusi. Üks selline nähtus, musta augu teabe paradoks, näib rikkuvat füüsika põhiseadust.
Musta augu sündmuste horisonti peetakse viimaseks piiriks: kui sellest üle olla, ei saa miski musta auku jätta, isegi mitte hele. Kuid kas see kehtib teabe kui sellise kohta? Kas ta kaob igaveseks musta auku nagu kõik muu?
Esiteks peame mõistma, et mustade aukude teabe paradoks ei ole seotud sellega, kuidas oleme harjunud teavet tajuma. Kui mõtleme raamatusse trükitud sõnadele, arvutifailis olevate bittide ja baitide arvule või süsteemi moodustavate osakeste konfiguratsioonidele ja kvantomadustele, mõtleme teabele kui kogu komplektile kõigele, mida me vajame, et midagi nullist uuesti luua.
See traditsiooniline teabe määratlus ei ole aga otsene füüsiline omadus, mida saab mõõta või arvutada, nagu seda saab teha näiteks temperatuuri korral. Meie õnneks on olemas füüsiline omadus, mida võime määratleda samaväärsena teabega - entroopia. Entroopia kui häire mõõtmise asemel tuleks sellele mõelda kui „puuduvale“teabele, mida on vaja süsteemi konkreetse mikrostaadi määramiseks.
Kui must auk neelab massi, määratakse aine entroopia suurus selle füüsikaliste omaduste järgi. Musta augu sees on aga olulised ainult sellised omadused nagu mass, laeng ja nurkkiirus. Termodünaamika teise seaduse säilitamiseks on see tõsine probleem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Kui must auk neelab massi, määratakse aine entroopia suurus selle füüsikaliste omaduste järgi. Musta augu sees on aga olulised ainult sellised omadused nagu mass, laeng ja nurkkiirus. See kujutab endast tõsist probleemi termodünaamika teise seaduse säilitamiseks.
Universumis on teatud reeglid, mida entroopia peab järgima. Termodünaamika teist seadust võib nimetada neist kõigist hävimatumaks: võtke suvaline süsteem, ärge lubage sellel midagi siseneda ega lahkuge - ja selle entroopia ei vähene kunagi äkki.
Katkine muna ei kogune tagasi oma kooresse, soe vesi ei eraldu kunagi kuumadeks ja külmadeks osadeks ning tuhk ei kogune kunagi selle eseme kuju, nagu ta oli enne selle põletamist. Kõik see oleks näide vähenevast entroopiast ja ilmselt ei juhtu midagi sellist looduses iseenesest. Entroopia võib jääda samaks ja suureneda enamikul juhtudel, kuid see ei saa kunagi madalamasse olekusse naasta.
Ainus viis entroopia kunstlikuks vähendamiseks on energia sisestamine süsteemi, "pettes" sellega termodünaamika teist seadust, suurendades selle süsteemi välist entroopiat suurema väärtuse võrra, kui see selles süsteemis väheneb. Maja puhastamine on suurepärane näide. Teisisõnu, te ei saa entroopiast lahti.
Reklaamvideo:
Mis saab siis, kui must auk toidab ainet? Kujutame ette, et me viskame raamatu musta auku. Ainsad omadused, mida mustale augule omistada võime, on üsna argised: mass, laeng ja nurkkiirus. Raamat sisaldab teavet, kuid kui viskate selle musta auku, suurendab see ainult selle massi. Algselt, kui teadlased hakkasid seda probleemi uurima, usuti, et musta augu entroopia on null. Kuid kui see nii oleks, rikuks millegi musta auku sattumine alati termodünaamika teist seadust. Mis muidugi on võimatu.
Musta augu mass on pöörlemata isoleeritud musta augu sündmuse horisondi raadiuses ainus määrav tegur. Pikka aega usuti, et mustad augud on universumi ruumi-aja staatilised objektid.
Kuid kuidas arvutada musta augu entroopia?
Selle idee võib leida John Wheelerilt, mõeldes sellele, mis juhtub objektiga, kui see kukub sündmuse horisondist kaugel asuva vaatleja vaatepunktist musta auku. Eemalt vaadates näib meile, et musta auku kukkuv inimene läheneb asümptotiliselt sündmushorisondile, punastades gravitatsioonilise punanihke tõttu üha enam ja liikudes relativistliku aja dilatatsiooni tagajärjel horisondi poole lõpmata kaua. Seega jääks mustasse auku sattunud teave selle pinnale „krüptituks”.
See lahendab probleemi elegantselt ja kõlab mõistlikult. Kui midagi kukub musta auku, suureneb selle mass. Massi kasvades suureneb ka selle raadius ja seega ka selle pindala. Mida suurem pind, seda rohkem teavet saab krüpteerida.
See tähendab, et musta augu entroopia pole sugugi null, vaid vastupidi - tohutu. Hoolimata asjaolust, et sündmuste horisont on universumi suurusega võrreldes suhteliselt väike, on ühe kvantbitti salvestamiseks vajaminev ruumi vähe, mis tähendab, et musta augu pinnale saab salvestada uskumatult palju teavet. Entroopia suureneb, teave säilib ja termodünaamika seadused säilivad. Võite hajutada, eks?
Sündmusehorisondi pindalaga proportsionaalseid teabeühikuid saab kodeerida musta augu pinnale.
Mitte päris. Asi on selles, et kui mustadel aukutel on entroopia, peab neil olema ka temperatuur. Nagu kõigi muude temperatuuriga objektide puhul, peaks ka kiirgus neilt tulema.
Nagu näitas Stephen Hawking, eraldavad mustad augud kiirgust kindlas spektris (musta keha spekter) ja kindlal temperatuuril, mis on määratud musta augu massiga. Aja jooksul põhjustab energia kiirgus selle massi kadumise musta augu järgi kuulsa Einsteini võrrandi kohaselt: E = mc ^ 2. Energia eraldumisel peab see tulema kuskilt ja see “kuskil” peab olema must auk ise. Aja jooksul kaotab must auk oma massi kiiremini ja kiiremini ning ühel hetkel - kaugemas tulevikus - aurustub see ereda valguse käes täielikult.
Kuid kui must auk aurustub musta keha kiirguses, mille määrab ainult selle mass, siis mis saab kogu sündmuse horisondi kohta salvestatud teabest ja entroopiast? Lõppude lõpuks ei saa te seda teavet lihtsalt hävitada?
See on musta augu teabe paradoksi juur. Mustal augul peab olema kõrge entroopia, mis sisaldab kogu teavet selle loomise kohta. Teave langevate objektide kohta registreeritakse sündmuse horisondi pinnale. Kuid kui Hawkingi kiirguse kaudu laguneb must auk, kaob sündmuse horisont, jättes endast järele vaid radiatsiooni. See kiirgus, nagu teadlased väidavad, sõltub ainult musta augu massist.
Kujutage ette, et meil on kaks raamatut - absoluutsest mõttetusest ja "Monte Cristo krahv" -, mis sisaldavad erinevat hulka teavet, kuid massiliselt identsed. Me viskame need identsetesse mustadesse aukudesse, kust loodetakse saada samaväärset Hawkingi kiirgust. Välise vaatleja jaoks näib kõik nii, nagu teave hävitataks, ja arvestades entroopia kohta teadaolevat, on see võimatu, kuna see rikuks termodünaamika teist seadust.
Kui me põletame need kaks ühesuurust raamatut, siis sisaldavad erinevused molekulaarstruktuuris, tähtede järjekord paberil ja muud väikesed erinevused teavet, mis võiks aidata meil raamatutes sisalduvat teavet rekonstrueerida. See võib olla täielik jama, kuid üksi ei lähe see kuhugi. Sellegipoolest on mustade aukude teabe paradoks tõeline probleem. Kui must auk on aurustunud, ei jää sellest ürgsest teabest jälgitavasse universumisse jälgi.
Musta augu jäljendatud lagunemine ei põhjusta mitte ainult kiirguse eraldumist, vaid ka pöörleva keskse massi lagunemist, mis hoiab enamiku objekte stabiilsena. Mustad augud on mittestaatilised objektid, mis aja jooksul muutuvad. Erinevatest materjalidest moodustatud mustad augud peaksid sündmuste horisondi korral säilitama erinevat teavet.
Võib-olla pole sellele paradoksile veel lahendust leitud ja see on füüsika jaoks tõsine probleem. Selle võimaliku lahenduse leidmiseks on siiski kaks võimalust:
1. Musta augu aurustumisel hävib teave täielikult, mis tähendab, et selle protsessiga seostatakse uusi füüsikalisi seadusi.
2. Emissioonikiirgus sisaldab kuidagi seda teavet, seetõttu on Hawkingi kiirgus midagi enamat kui teadusele teada.
Enamik selle probleemiga tegelevaid inimesi usub, et peab olema mingil moel musta augu pinnale salvestatud teave väljatrükile "trükitud". Kuid keegi ei tea täpselt, kuidas see juhtub. Võib-olla tutvustab musta augu pinnal olev teave kvantparandusi Hawkingi kiirguse ainuüksi termilises olekus? Võib-olla, kuid seda pole veel tõestatud. Täna on sellele paradoksile palju hüpoteetilisi lahendusi, kuid ükski neist pole veel kinnitust leidnud.
Mustade aukude informatsiooniparadoks ei sõltu sellest, kas kvantuniversumi olemus on deterministlik või mittedeterministlik, millist kvantõlgendust eelistate, kas seal on varjatud muutujaid ja reaalsuse olemuse paljusid muid aspekte. Ja kuigi paljud väljapakutud lahendused sisaldavad holograafilist põhimõtet, pole veel teada, kas sellel on mingit rolli paradoksi lõpplahenduses.
Vladimir Guillen
