Zunaj obzorja črne luknje splošna relativnost in teorija kvantnega polja povsem zadostujeta za razumevanje fizike dogajanja; to je Hawkingovo sevanje. Toda celo kombinacija teh dveh vodi v informativni paradoks, ki še ni bil rešen. (NASA)

Paradoks informacij o črni luknji, največja uganka Stephena Hawkinga, je še vedno nerešen

Paradoks je tisti, za katerega je Hawking že večkrat trdil, da ima rešitev, vendar noben od predlogov ni zdržal pozornosti. Paradoks je še vedno nerešen.

Z odhodom Stephena Hawkinga je znanost izgubila ne le svojo najbolj prepoznavno javno osebnost, temveč tudi izjemnega raziskovalca narave črnih lukenj. Čeprav se je njegov zadnji prispevek morda bolj osredotočil na nekatere eksistencialne izzive, s katerimi se danes srečuje kozmologija, je bil njegov največji znanstveni prispevek razkrivanje neverjetnih kvantnih resnic o Vesolju s preučevanjem njegovih najbolj ekstremnih predmetov. Črne luknje, za katere se je nekoč mislilo, da so statične, nespremenljive in jih opredeljuje le njihova masa, naboj in vrtenje, so se skozi njegovo delo spremenili v stalno razvijajoče se motorje, ki so imeli temperaturo, oddajali sevanje in sčasoma izhlapevali. Pa vendar je imel ta zdaj sprejeti znanstveni zaključek - sklepanje o prisotnosti in lastnostih Hawkingovega sevanja - ogromen pomen: da črne luknje omogočajo uničenje informacij o vesolju. Kljub 40 letom dela na tej svetovni sveti modri modri svetovni pamet, paradoks informacij o črni luknji še vedno ostaja nerešen.

Ko maso požre črna luknja, se količina entropije, ki jo ima snov, določi glede na njene fizične lastnosti. Toda znotraj črne luknje so pomembne samo lastnosti, kot so masa, naboj in kotni zagon. To predstavlja veliko težavo, če mora drugi zakon termodinamike ostati resničen. Ilustracija: (NASA / CXC / M.Weiss; rentgen (zgoraj): NASA / CXC / MPE / S.Komossa in drugi (L); optično: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Drugi zakon termodinamike je eno najbolj nedotakljivih pravil Vesolja: vzemite kateri koli sistem, ki vam je všeč, ne dovolite, da bi karkoli vstopilo ali zapuščalo in njegova entropija se ne bo nikoli spontano zmanjšala. Jajca se spontano ne razkrojijo, topla voda se nikoli ne razdeli na tople in hladne odseke, pepel pa se ne zbere v obliko predmeta, kot so bili, preden so bili zgoreli. Vse to bi bil primer upadajoče entropije, kar pa se v naravi ne dogaja samo po sebi. Entropija lahko ostane enaka; v večini okoliščin se poveča; vendar se nikoli ne more vrniti v stanje z nižjo entropijo. Dejansko je edini način, da umetno zmanjšate entropijo, črpanje energije v sistem, "goljufija" drugega zakona s povečanjem entropije zunaj sistema za večjo količino, kot se zmanjša znotraj vašega sistema. (Čiščenje hiše je eden takšnih primerov.) Preprosto povedano, entropije nikoli ne moremo uničiti.

Masa črne luknje je edini odločujoči faktor polmera dogodkovnega obzorja za ne vrtečo se izolirano črno luknjo. Dolgo je veljalo, da so črne luknje statični predmeti v vesolju vesolja. (Ekipa SXS; Bohn et al 2015)

Za črne luknje je bila dolgo časa misel, da imajo entropijo nič, vendar to ne more biti prav. Če bi zadeva, iz katere ste naredili črne luknje, imela entropijo, ki ni enaka nič, potem bi entropija morala iti gor ali ostati enaka; nikoli ne bi mogla iti dol. Zamisel o entropiji črne luknje sega do Johna Wheelerja, ki je razmišljal o tem, kaj se zgodi s predmetom, ko ta pade v črno luknjo z vidika opazovalca, precej zunaj obzorja dogodka. Zdi se, da bi se nekdo, ki pade vanj, asimptotično približeval obzorju dogodkov, zaradi gravitacijskega rdečega premika postajal vse bolj rdeč in rdeč in bi potreboval neskončno dolgo časa za dosego obzorja, saj je začelo veljati relativistično časovno širjenje. Podatki bi se torej glede na vse, kar je padlo, zdeli kodirani na površini same črne luknje.

Na površini črne luknje so lahko kodirani kosi informacij, sorazmerni s površino obzorja dogodka. (TB Bakker / dr. JP van der Schaar, Universiteit van Amsterdam)

Ker masa črne luknje določa velikost njenega dogodkovnega obzorja, je to ustvarilo naravno mesto za entropijo črne luknje: na površini območja dogodkovnega obzorja. Kar naenkrat je imela črna luknja ogromno entropijo, ki temelji na številu kvantnih bitov, ki jih je mogoče kodirati na dogodkovnem horizontu določene velikosti. Toda vse, kar ima entropijo, ima tudi temperaturo, kar pomeni, da seva. Kot je dobro pokazal Hawking, črne luknje oddajajo sevanje določenega (črnega telesa) spektra in temperature, ki je določena z maso črne luknje, iz katere prihaja. Ta emisija energije sčasoma pomeni, da črna luknja izgublja maso zaradi Einsteinovega znamenitega E = mc2; če se energija sprošča, mora od nekod priti in "nekje" mora biti sama črna luknja. Sčasoma bo črna luknja vse hitreje in hitreje izgubljala maso, dokler v briljantni bliski svetlobe daleč v prihodnosti ne bo popolnoma izhlapela.

Ob na videz večnem ozadju večne teme se bo pojavil en sam utrip svetlobe: izhlapevanje končne črne luknje v vesolju. (ortega-slike / pixabay)

To je odlična zgodba, vendar ima težavo. Sevanje, ki ga oddaja, je čisto črno telo, kar pomeni, da ima enake lastnosti, kot če bi vzeli popolnoma črn predmet in ga segreli do določene temperature. Sevanje je torej popolnoma enako za vse črne luknje določene mase - in to je udarno - ne glede na to, katere informacije so ali niso vtisnjene na obzorju dogodkov.

Po zakonih termodinamike pa tega ne more biti! To je enakovredno uničevanju informacij in je točno tisto, kar je prepovedano.

Vse, kar gori, se lahko zdi, da je uničeno, toda vse o predhodno zgorelem stanju je načeloma mogoče povrniti, če sledimo vsemu, kar nastane iz ognja. (Javna domena)

Če zažgete dve knjigi enake velikosti z zelo različno vsebino, morda ne boste mogli rekonstruirati besedila nobene knjige, vendar vzorci črnila na papirju, spremembe v molekularnih strukturah in druge minutne razlike vsebujejo informacije in da informacije ostanejo kodirane v dimu, pepelu, okoliškem zraku in vseh ostalih delcih v igri. Če bi lahko spremljali okolje okoli sebe in knjige vključevali poljubno natančno, bi lahko rekonstruirali vse želene informacije; je skodrano, vendar ni izgubljeno.

Paradoks informacij o črni luknji pa je, da vse informacije, ki so bile vtisnjene na obzorju dogodka črne luknje, ko enkrat izhlapijo, v našem vesolju, ki ga je mogoče opaziti, niso pustile sledi.

Simulirano razpadanje črne luknje ne povzroči samo sevanja sevanja, ampak tudi razpadanje mase centralne orbite, ki ohranja večino predmetov stabilno. Črne luknje niso statični predmeti, temveč se sčasoma spreminjajo. Vendar bi morale imeti črne luknje iz različnih materialov različne podatke, kodirane na njihovih obzorjih dogodkov. (EU Communicate Science)

To izgubo informacij bi morala prepovedati pravila kvantne mehanike. Vsak sistem lahko opišemo s kvantno valovno funkcijo in vsaka valovna funkcija je edinstvena. Če pravočasno razvijete svoj kvantni sistem naprej, ni mogoče, da bi dva različna sistema prišla do istega končnega stanja, ampak ravno to pomeni paradoks informacij. Kolikor razumemo, se morata zgoditi ena od dveh stvari:

  1. Informacije se resnično nekako uničijo, ko črna luknja izhlapi in nas uči, da obstajajo nova pravila in zakoni za izhlapevanje črne luknje,
  2. Ali sevanje, ki se oddaja, nekako vsebuje te podatke, kar pomeni, da je Hawkingovega sevanja več kot izračuni, ki smo jih izvedli doslej.

Ta paradoks, več kot štirideset let po tem, ko je bil prvič opažen, še vedno ni bil rešen.

Ponazoritev kvantnih nihanj, ki prežemajo ves prostor. Če se ta nihanja nekako odtisnejo na odhajajočem Hawkingovem sevanju, ki izhaja iz črne luknje, je mogoče, da se bodo informacije, kodirane na dogodkovnem horizontu, navsezadnje ohranile. (NASA / CXC / M.Weiss)

Medtem ko Hawkingovi prvotni izračuni kažejo, da izhlapevanje s pomočjo Hawkingovega sevanja uniči vse podatke, ki so bili vtisnjeni na obzorje dogodkov črne luknje, sodobna misel pomeni, da se mora nekaj zgoditi za kodiranje teh informacij v odhajajočem sevanju. Številni fiziki se pritožujejo na holografsko načelo, pri čemer ugotavljajo, da informacije, kodirane na površini črne luknje, uporabljajo kvantne popravke na čisto termično stanje Hawkingovega sevanja, ki se vtisne na sevanje, ko črna luknja izhlapi in se obzorje dogodkov skrči. Kljub temu, da so Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft in Leonard Susskind stavili stave in razglasili zmago in poraz v zvezi s tem problemom, paradoks ostaja zelo živ in nerešen, z mnogimi hipoteziranimi rešitvami razen tiste predstavljena tukaj.

Obzorje črne luknje je sferično ali sferično območje, iz katerega ne more uiti nič, niti svetloba. Toda zunaj obzorja dogodka naj bi črna luknja oddajala sevanje. Hawkingovo delo iz leta 1974 je to prvič pokazalo in nedvomno je bil njegov največji znanstveni dosežek. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) idr .; ESA)

Kljub našim trudom še vedno ne razumemo, ali informacija izteka iz črne luknje, ko seva energijo (in maso) stran. Če informacije puščajo stran, ni jasno, kako so te informacije iztekle in kdaj ali kje se Hawkingovi prvotni izračuni razgradijo. Tudi sam Hawking je kljub priznanju argumentacije pred več kot desetletjem še naprej aktivno objavljal to temo in pogosto izjavljal, da je končno rešil paradoks. Toda paradoks ostaja nerešen, brez jasne rešitve. Morda je to največja zapuščina, ki jo lahko dosežemo v znanosti: odkriti nov problem, ki je tako zapleten, da bo za rešitev potrebnih več generacij. V tem konkretnem primeru se večina strinja, kako naj bi izgledala rešitev, vendar nihče ne ve, kako priti do nje. Dokler tega ne storimo, bo to ostal le še en del Hawkingovih neprimerljivih, skrivnostnih daril, ki jih je delil s svetom.

Starts With A Bang je zdaj objavljen na Forbesu in ponovno objavljen na Medium zahvaljujoč našim podpornikom Patreona. Ethan je avtor dveh knjig, Beyond The Galaxy in Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive.