Вселената е невероятно и странно място, изпълнено с необясними явления. Един такъв феномен, информационният парадокс за черната дупка, изглежда нарушава основен закон на физиката.
Хоризонтът на събитията на черна дупка се счита за последната граница: веднъж отвъд нея нищо не може да остави черната дупка, дори и светлината. Но това важи ли за информация като такава? Дали тя ще се изгуби завинаги в черната дупка като всичко останало?
На първо място, трябва да разберем, че информационният парадокс на черните дупки не е свързан с това как сме свикнали да възприемаме информация. Когато мислим за думите, отпечатани в книга, броя на битовете и байтовете в компютърен файл или конфигурациите и квантовите свойства на частиците, съставляващи система, ние мислим за информация като пълен набор от всичко, от което се нуждаем, за да пресъздадем нещо от нулата.
Това традиционно определение на информация обаче не е пряко физическо свойство, което може да бъде измерено или изчислено, тъй като, например, може да се направи с температура. За щастие за нас има физическо свойство, което можем да определим като еквивалентно на информация - ентропия. Вместо да мислим за ентропията като мярка за разстройство, трябва да се мисли като за „липсваща“информация, необходима за определяне на специфичното микро състояние на дадена система.
Когато една черна дупка абсорбира маса, количеството ентропия на веществото се определя от неговите физични свойства. Вътре в черна дупка обаче имат значение само свойства като маса, заряд и ъглов импулс. За запазването на втория закон на термодинамиката това представлява сериозен проблем / & copy; НАСА / CXC / M. WEISS Когато черна дупка абсорбира маса, количеството ентропия на материята се определя от нейните физични свойства. Вътре в черна дупка обаче имат значение само свойства като маса, заряд и ъглов импулс. Това представлява сериозен проблем за запазването на втория закон на термодинамиката.
Във Вселената има определени правила, които ентропията трябва да следва. Вторият закон на термодинамиката може да се нарече най-неразрушим от всички тях: вземете каквато и да е система, не позволявайте на нищо да влезе или да я оставите - и ентропията й никога няма да изведнъж да намалее.
Счупеното яйце не се събира обратно в черупката си, топлата вода никога не се разделя на топли и студени части, а пепелта никога не се събира във формата на предмета, в който е била преди изгарянето му. Всичко това би било пример за намаляваща ентропия и очевидно нищо подобно не се случва в природата само по себе си. Ентропията може да остане същата и да се увеличи при повечето обстоятелства, но никога не може да се върне в по-ниско състояние.
Единственият начин за изкуствено намаляване на ентропията е да се въведе енергия в системата, като по този начин се "измами" вторият закон на термодинамиката, увеличавайки ентропията, външна за тази система, с по-голяма стойност, отколкото тя намалява в тази система. Почистването на къщата е чудесен пример. С други думи, не можете да се отървете от ентропията.
Промоционално видео:
И така, какво се случва, когато черна дупка се храни с материя? Нека си представим, че хвърляме книга в черна дупка. Единствените свойства, които можем да припишем на черна дупка, са доста светски: маса, заряд и ъглова инерция. Книгата съдържа информация, но когато я хвърлите в черна дупка, тя само увеличава нейната маса. Първоначално, когато учените започнаха да изучават този проблем, се смяташе, че ентропията на черна дупка е нула. Но ако това беше така, влизането на нещо в черна дупка винаги би нарушило втория закон на термодинамиката. Което, разбира се, е невъзможно.
Масата на черна дупка е единственият определящ фактор в радиуса на хоризонта на събитията за не въртяща се изолирана черна дупка. Дълго време се смяташе, че черните дупки са статични обекти в пространството-времето на Вселената.
Но как да изчислите ентропията на черна дупка?
Тази идея може да се проследи до Джон Уилър, мислейки какво се случва с обект, когато той попадне в черна дупка от гледна точка на наблюдател, далеч от хоризонта на събитията. От голямо разстояние ни се струва, че човек, попадащ в черна дупка, асимптотично се приближава до хоризонта на събитията, изчервявайки се все повече и повече поради гравитационното червено изместване и безкрайно дълго придвижване към хоризонта поради ефекта на релативисткото разширяване на времето. По този начин информацията от нещо, което попадна в черна дупка, ще остане „криптирана“на нейната повърхност.
Това решава проблема елегантно и звучи разумно. Когато нещо попадне в черна дупка, масата му се увеличава. С увеличаване на масата, радиусът му също се увеличава, а оттам и повърхността. Колкото по-голяма е повърхността, толкова повече информация може да бъде криптирана.
Това означава, че ентропията на черна дупка изобщо не е нула, а напротив - огромна. Въпреки факта, че хоризонтът на събитията е сравнително малък в сравнение с размера на Вселената, количеството пространство, необходимо за запис на един квантов бит, е малко, което означава, че невероятни количества информация могат да бъдат записани на повърхността на черна дупка. Ентропията се увеличава, информацията се запазва и законите на термодинамиката са запазени. Можете да се разпръснете, нали?
Битовете информация, пропорционални на повърхността на хоризонта на събитията, могат да бъдат кодирани на повърхността на черна дупка.
Не точно. Въпросът е, че ако черните дупки имат ентропия, те също трябва да имат температура. Както при всеки друг обект с температура, радиацията трябва да идва от тях.
Както демонстрира Стивън Хокинг, черните дупки излъчват радиация в специфичен спектър (спектър на черно тяло) и при специфична температура, определена от масата на черната дупка. С течение на времето това излъчване на енергия води до загуба на неговата маса от черната дупка, съгласно известното уравнение на Айнщайн: E = mc ^ 2. Ако се излъчва енергия, тя трябва да идва отнякъде и че „някъде“трябва да е самата черна дупка. С течение на времето черната дупка ще загуби масата си все по-бързо и по-бързо и в един момент - в далечното бъдеще - напълно ще се изпари при ярка светкавица.
Но ако една черна дупка се изпарява при излъчване на черно тяло, определено само от нейната маса, какво се случва с цялата информация и ентропия, записани на нейния хоризонт на събитията? В крайна сметка не можете просто да унищожите тази информация?
Това е коренът на парадокса на информацията за черната дупка. Черната дупка трябва да има висока ентропия, която включва цялата информация за това, което я е създало. Информация за падащи обекти се записва на повърхността на хоризонта на събитията. Но когато черна дупка се разпадне чрез радиация на Хокинг, хоризонтът на събитията изчезва, оставяйки след себе си само радиация. Тази радиация, както предполагат учените, зависи само от масата на черната дупка.
Представете си, че имаме две книги - за абсолютни глупости и „Графа на Монте Кристо“- съдържащи различни количества информация, но масово идентични. Хвърляме ги в еднакви черни дупки, от които очакваме да получат равностойно лъчение на Хокинг. За външен наблюдател всичко изглежда като информация се унищожава и предвид това, което знаем за ентропията, това е невъзможно, тъй като би нарушило втория закон на термодинамиката.
Ако запишем тези две книги с еднакъв размер, промените в молекулната структура, реда на буквите на хартията и други малки разлики ще съдържат информация, която би могла да ни помогне да реконструираме информацията в книгите. Може да е пълна бъркотия, но тя няма да отиде никъде сама по себе си. Независимо от това информационният парадокс на черните дупки е истински проблем. След като черната дупка се изпари, следа от тази изначална информация не остава в наблюдаваната Вселена.
Симулираният разпад на черна дупка води не само до излъчване на радиация, но и до разпад на централната въртяща се маса, което поддържа повечето обекти стабилни. Черните дупки са нестатични обекти, които се променят с времето. В хоризонтите на събитията обаче черните дупки, образувани от различни материали, трябва да запазват различна информация.
Може би все още няма решение на този парадокс и той представлява сериозен проблем за физиката. Въпреки това има две възможности за възможното му решение:
1. Информацията е напълно унищожена по време на изпаряването на черна дупка, което означава, че с този процес са свързани нови физически закони.
2. Излъчената радиация по някакъв начин съдържа тази информация, следователно радиацията на Хокинг е нещо повече, отколкото е известно на науката.
Повечето хора, работещи по този проблем, смятат, че трябва да има някакъв начин, по който информацията, съхранявана на повърхността на черна дупка, да бъде „отпечатана“в изходящата радиация. Никой обаче не знае как точно става това. Може би информацията на повърхността на черната дупка въвежда квантови корекции в изключително топлинното състояние на радиацията на Хокинг? Може би, но все още не е доказано. Днес има много хипотетични решения на този парадокс, но никое от тях все още не е потвърдено.
Информационният парадокс на черните дупки не зависи от това дали природата на квантовата вселена е детерминирана или недетерминирана, коя квантова интерпретация предпочитате, дали има скрити променливи и много други аспекти от природата на реалността. И въпреки че много от предложените решения включват холографския принцип, все още не е известно дали той играе някаква роля в окончателното решение на парадокса.
Владимир Гилен