Извън хоризонта на събитията на черна дупка, Общата теория на относителността и квантовото поле са напълно достатъчни за разбиране на физиката на случващото се; това е радиацията на Хокинг. Но дори комбинацията от тези две води до информационен парадокс, който все още не е разрешен. (НАСА)

Информационният парадокс за Черната дупка, най-големият пъзел на Стивън Хокинг, все още не е разрешен

Парадоксът е този, за който самият Хокинг твърдеше, че има решение много пъти, но нито едно от предложенията не се подложи на контрол. Парадоксът все още е нерешен.

С преминаването на Стивън Хокинг науката загуби не само най-разпознаваемата си публична фигура, но и забележителен изследовател на природата на черните дупки. Докато последната му статия може би се е съсредоточила повече върху някои от екзистенциалните предизвикателства, пред които е изправена космологията днес, най-големите му научни приноси са били в разкриването на някои невероятни квантови истини за Вселената чрез изследване на най-крайните й обекти. Черните дупки, за които някога се смяташе, че са статични, непроменими и се определят само от тяхната маса, заряд и въртене, се превръщат чрез работата му във непрекъснато развиващи се двигатели, които имат температура, излъчвана радиация и в крайна сметка се изпаряват във времето. И все пак това сега прието научно заключение - извеждащо присъствието и свойствата на радиацията на Хокинг - имаше огромно значение: че черните дупки осигуряват начин за унищожаване на информация за Вселената. Въпреки 40+ години работа по проблема от най-ярките умове в света, парадоксът на информацията за черната дупка все още остава нерешен.

Когато маса се погълне от черна дупка, количеството ентропия, което материята има, се определя от нейните физични свойства. Но вътре в черна дупка имат значение само свойства като маса, заряд и ъглов импулс. Това създава голяма главоблъсканица, ако вторият закон на термодинамиката трябва да остане верен. Илюстрация: (NASA / CXC / M.Weiss; рентгенова снимка (отгоре): NASA / CXC / MPE / S.Komossa и др. (L); оптично: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Вторият закон на термодинамиката е едно от най-неприкосновените правила на Вселената: вземете каквато и да е система, която харесвате, не позволявайте нищо да влезе или да я напусне и нейната ентропия никога няма да се намали спонтанно. Яйцата не се саморазграждат, топлата вода никога не се разделя на топли и студени участъци, а пепелта не се събира отново във формата на предмета, в който са били преди да бъдат изгорени. Всичко това би било пример за намаляваща ентропия и това в природата не се случва самостоятелно. Ентропията може да остане същата; при повечето обстоятелства тя се увеличава; но никога не може да се върне в състояние с по-ниска ентропия. Всъщност единственият начин за изкуствено намаляване на ентропията е да се изпомпва енергия в система, „изневерявайки“ на втория закон чрез увеличаване на ентропията, външна за системата, с по-голямо количество, отколкото тя намалява във вашата система. (Почистването на къщата е един такъв пример.) Казано по-просто, ентропията никога не може да бъде унищожена.

Масата на черна дупка е единственият определящ фактор на радиуса на хоризонта на събитията, за не въртяща се, изолирана черна дупка. Дълго време се смяташе, че черните дупки са статични обекти в космическото време на Вселената. (SXS екип; Bohn et al 2015)

За черните дупки мисълта - дълго време беше, че те имат нулева ентропия, но това не може да бъде правилно. Ако материята, от която сте направили черни дупки, има ненулева ентропия, тогава, като хвърлите този материал в черна дупка, ентропията ще трябва да се издигне или да остане същата; никога не можеше да слезе. Идеята за ентропията на черната дупка се дължи на Джон Уилър, който мислеше какво се случва с обект, докато той попадне в черна дупка от гледна точка на наблюдател, далеч извън хоризонта на събитията. Отдалеч някой, който попадне, изглежда асимптотично се приближава към хоризонта на събитията, превръщайки се в по-червено и по-червено поради гравитационното червено изместване и отнема безкрайно дълго време, за да достигне хоризонта, тъй като влезе в сила релативисткото разширяване на времето. Следователно информацията от каквото и да е попаднало изглежда е кодирана върху повърхността на самата черна дупка.

Кодирани върху повърхността на черната дупка могат да бъдат битове на информация, пропорционални на повърхността на хоризонта на събитието. (TB Bakker / д-р JP van der Schaar, Universiteit van Amsterdam)

Тъй като масата на черната дупка определя размера на нейния хоризонт на събитията, това даде естествено място за ентропията на черна дупка: на повърхността на хоризонта на събитията. Изведнъж черните дупки имаха огромна ентропия, основана на броя на квантовите битове, които могат да бъдат кодирани на хоризонт на събитията с определен размер. Но всичко, което има ентропия, също има температура, което означава, че излъчва. Както Хокинг показа по известен начин, черните дупки излъчват излъчване на определен спектър и температура (черно тяло), определени от масата на черната дупка, от която идва. С течение на времето това излъчване на енергия означава, че черната дупка губи маса, благодарение на известния E = mc2 на Айнщайн; ако се освобождава енергия, тя трябва да дойде отнякъде и че „някъде“ трябва да е самата черна дупка. С течение на времето черната дупка ще губи маса все по-бързо и по-бързо, докато в блестяща светкавица далеч в бъдеще не се изпари изцяло.

На пръв поглед вечен фон на вечна тъмнина, ще се появи един-единствен светкавица: изпаряването на финалната черна дупка във Вселената. (ortega-снимки / pixabay)

Това е страхотна история, но има проблем. Излъчването, което излъчва, е чисто черно тяло, което означава, че има същите свойства, както ако взехме напълно черен предмет и го нагрехме до определена температура. Следователно радиацията е абсолютно еднаква за всички черни дупки на определена маса - и това е ритникът - независимо от това каква информация е или не е отпечатана в хоризонта на събитията.

Според законите на термодинамиката обаче това не може да бъде! Това е еквивалентът на унищожаването на информация и е конкретно за нещата, които са забранени.

Всичко, което изгаря може да изглежда, че е унищожено, но всичко по отношение на предварително изгореното състояние по принцип е възстановимо, ако проследим всичко, което излиза от огъня. (Публичен домейн)

Ако запишете две книги с еднакъв размер с много различно съдържание, може да не успеете да реконструирате текста на всяка от книгите, но шарките на мастилото върху хартията, промените в молекулните структури и други минутни разлики съдържат информация и тази информация остава кодирана в дима, пепелта, околния въздух и всички останали частици в игра. Ако можехте да наблюдавате околната среда наоколо и да включвате книгите с произволна точност, бихте могли да реконструирате цялата информация, която искате; бърка се, но не се губи.

Парадоксът на информацията за черната дупка обаче е, че цялата информация, която беше отпечатана на хоризонта на събитията на черната дупка, след като се изпари, не остави следа в нашата наблюдаема Вселена.

Симулираният разпад на черна дупка води не само до излъчване на радиация, но и до гниене на централната орбитална маса, която поддържа повечето обекти стабилни. Черните дупки не са статични обекти, а по-скоро се променят с времето. Въпреки това черните дупки, образувани от различни материали, трябва да имат кодирана различна информация в хоризонта на събитията им. (Комуникационна наука на ЕС)

Тази загуба на информация трябва да бъде забранена от правилата на квантовата механика. Всяка система може да бъде описана чрез квантова вълнова функция и всяка вълнова функция е уникална. Ако еволюирате вашата квантова система напред във времето, няма начин две различни системи да достигнат до едно и също крайно състояние, но точно това предполага парадоксът на информацията. Доколкото го разбираме, трябва да се случи едно от двете неща:

  1. Или информацията наистина се унищожава по някакъв начин, когато се изпарява черна дупка, като ни учи, че има нови правила и закони за изпаряването на черната дупка,
  2. Или излъченото по някакъв начин излъчване съдържа тази информация, което означава, че радиацията на Хокинг има повече от изчисленията, които направихме досега.

Този парадокс, повече от четиридесет години след като бе забелязан за първи път, все още никога не е разрешен.

Илюстрация на квантовите колебания, които проникват в цялото пространство. Ако тези колебания се отпечатват по някакъв начин върху изходящата радиация на Хокинг, излъчвана от черна дупка, е възможно информацията, кодирана на хоризонт на събитията, да бъде запазена в края на краищата. (НАСА / Х / M.Weiss)

Докато първоначалните изчисления на Хокинг показват, че изпаряването чрез радиация на Хокинг унищожава каквато и информация да е била отпечатана в хоризонта на събитията на черната дупка, съвременната мисъл е, че трябва да се случи нещо, което да кодира тази информация в изходящата радиация. Много физици апелират към холографския принцип, отбелязвайки, че информацията, кодирана на повърхността на черната дупка, прилага квантови корекции към чисто термичното състояние на радиация на Хокинг, отразявайки се върху радиацията, докато черната дупка се изпарява и хоризонтът на събитията се свива. Въпреки факта, че Хокинг, Джон Прескил, Кип Торн, Джерард 'Хофт и Леонард Сускинд направиха залози и обявиха победа и поражение по отношение на този проблем, парадоксът остава много жив и нерешен, с много хипотезирани решения, различни от този. представени тук.

Хоризонтът на събитията на черна дупка е сферична или сфероидна област, от която не може да избяга нищо, дори светлина. Но извън хоризонта на събитията се предвижда черната дупка да излъчва радиация. Работата на Хокинг от 1974 г. е първата, която демонстрира това и може би е най-голямото му научно постижение. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) и др .; ESA)

Въпреки всичките ни усилия, ние все още не разбираме дали информацията изтича от черна дупка, когато излъчва енергия (и маса). Ако не изтече информация, не е ясно как тази информация е изтекла и кога или къде се разграждат първоначалните изчисления на Хокинг. Самият Хокинг, въпреки че призна спора преди повече от десетилетие, продължи активно да публикува по темата, често заявявайки, че най-накрая е решил парадокса. Парадоксът обаче остава нерешен, без ясно решение. Може би това е най-голямото наследство, което човек може да се надява да постигне в науката: да разкрие нов проблем, толкова сложен, че ще са необходими няколко поколения, за да стигнат до решението. В този конкретен случай повечето се съгласяват как трябва да изглежда решението, но никой не знае как да стигне до там. Докато не го направим, той ще остане само поредната част от несравнимите, загадъчни подаръци на Хокинг, които той сподели със света.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звезден път от трикрилите до Warp Drive“.