Ārpus melnā cauruma notikumu horizonta vispārējā relativitāte un kvantu lauka teorija ir pilnīgi pietiekama, lai saprastu notiekošā fiziku; tieši tāds ir Hokinga starojums. Bet pat šo divu apvienojums noved pie informācijas paradoksa, kas vēl nav atrisināts. (NASA)

Melnā cauruma informācijas paradokss, Stefana Hokinga lielākā mīkla, joprojām nav atrisināts

Paradokss ir tāds, par kuru pats Hokings apgalvoja, ka tam daudzkārt bijis risinājums, taču neviens no priekšlikumiem nav pakļauts pārbaudei. Paradokss joprojām nav atrisināts.

Ar Stefana Hokinga aiziešanu zinātne ir zaudējusi ne tikai savu atpazīstamāko sabiedrisko cilvēku, bet arī ievērojamo melno caurumu rakstura pētnieku. Kaut arī viņa nobeiguma raksts, iespējams, bija vairāk koncentrējies uz dažiem eksistenciāliem izaicinājumiem, ar kuriem šodien saskaras kosmoloģija, viņa lielākais zinātniskais ieguldījums bija dažu neticamu kvantu patiesību atklāšana par Visumu, izpētot tā ekstrēmākos objektus. Melnie caurumi, kas kādreiz tika uzskatīti par statiskiem, nemainīgiem un ko nosaka tikai to masa, lādiņš un centrifūga, viņa darba gaitā tika pārveidoti arvien attīstītos dzinējos, kuriem bija temperatūra, izstarojams starojums un laika gaitā iztvaikoja. Tomēr šim tagad pieņemtajam zinātniskajam secinājumam - par Hokinga starojuma klātbūtnes un īpašību secināšanu - bija milzīga nozīme: melnie caurumi bija veids, kā iznīcināt informāciju par Visumu. Neskatoties uz to, ka pasaules spilgtākie prāti ir strādājuši vairāk nekā 40 gadus, melnā cauruma informācijas paradokss joprojām nav atrisināts.

Kad masu izēd melnais caurums, vielas entropijas daudzumu nosaka tā fizikālās īpašības. Bet melnajā caurumā ir svarīgas tikai tādas īpašības kā masa, lādiņš un leņķiskais impulss. Tas rada lielu satraukumu, ja otrajam termodinamikas likumam ir jābūt patiesam. Ilustrācija: (NASA / CXC / M.Weiss; rentgenstūris (augšā): NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al. (L); optiskais: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Otrais termodinamikas likums ir viens no visneaizskaramākajiem Visuma noteikumiem: ņemiet jebkuru sistēmu, kas jums patīk, neļaujiet kaut kam tajā iekļūt vai atstājiet to, un tā entropija nekad spontāni nesamazināsies. Olas pašas spontāni neatšifrē, siltais ūdens nekad nedalās karstā un aukstā daļā un pelni neatkārtojas tā objekta formai, kāds tas bija pirms sadedzināšanas. Tas viss būtu entropijas samazināšanās piemērs, un tas dabā nenotiek pats par sevi. Entropija var palikt tāda pati; vairumā gadījumu tas palielinās; bet tas nekad nevar atgriezties zemākas entropijas stāvoklī. Faktiski vienīgais veids, kā mākslīgi samazināt entropiju, ir enerģijas iesūknēšana sistēmā, “apkrāpjot” otro likumu, palielinot ārpus sistēmas esošo entropiju par lielāku summu, nekā tā samazinās jūsu sistēmā. (Viens no šādiem piemēriem ir mājas uzkopšana.) Vienkārši sakot, entropiju nekad nevar iznīcināt.

Melnā cauruma masa ir vienīgais notikuma horizonta rādiusa noteicošais faktors negrozošam, izolētam melnajam caurumam. Ilgu laiku tika domāts, ka melnie caurumi ir statiski objekti Visuma kosmosa laikā. (SXS komanda; Bohn et al 2015)

Par melnajiem caurumiem ilgi domāja, ka tiem nav nulles entropijas, bet tas nevar būt taisnība. Ja jautājumam, no kura jūs izveidojāt melnos caurumus, bija entropija, kas nav nulle, tad, iemetot šo materiālu melnajā caurumā, entropijai vajadzēs iet uz augšu vai palikt tādai pašai; tas nekad nevarēja nolaisties. Ideja par melnā cauruma entropiju meklējama Džonam Veileram, kurš domāja par to, kas notiek ar objektu, kad tas no novērotāja viedokļa krīt melnajā caurumā tālu no notikuma horizonta. No tālienes kāds, kas iekrīt, šķietami asimptomātiski tuvojas notikumu horizontam, gravitācijas sarkanā nobīdes dēļ kļūstot sarkanāks un sarkanāks, un horizonta sasniegšanai vajadzīgs bezgala ilgs laiks, jo stājās spēkā relativistiskā laika dilatācija. Tāpēc informācija no tā, kas iekļuva, ir kodēta uz paša melnā cauruma virsmas laukuma.

Kodēta uz melnā cauruma virsmas var būt informācijas biti, proporcionāli notikuma horizonta virsmas laukumam. (TB Bakker / Dr. JP van der Schaar, Amsterdamas Universitāte)

Tā kā melnā cauruma masa nosaka tā horizonta lielumu, tas deva dabisku vietu melnā cauruma entropijas pastāvēšanai: notikuma horizonta virsmas laukumā. Pēkšņi melnajiem caurumiem bija milzīga entropija, kuras pamatā bija kvantu bitu skaits, kurus varēja iekodēt noteikta lieluma notikumu horizontā. Bet visam, kam ir entropija, ir arī temperatūra, kas nozīmē, ka tā izstaro. Kā slavenīgi demonstrēja Hokings, melnie caurumi izstaro noteikta (melnā ķermeņa) spektra un temperatūras starojumu, ko nosaka melnā cauruma masa, no kura tas nāk. Laika gaitā šī enerģijas emisija nozīmē, ka melnais caurums zaudē masu Einšteina slavenā E = mc2 dēļ; ja enerģija tiek atbrīvota, tai ir jānāk no kaut kurienes, un tam “kaut kur” ir jābūt melnajam caurumam. Laika gaitā melnais caurums zaudēs masu ātrāk un ātrāk, līdz spožā gaismas zibspuldzē tālā nākotnē tas pilnībā iztvaiko.

Uz šķietami mūžīgās mūžīgās tumsas fona parādīsies vienots gaismas uzliesmojums: Visuma pēdējā melnā cauruma iztvaikošana. (ortega-attēli / pixabay)

Šis ir lielisks stāsts, bet tam ir problēma. Izstarotais starojums ir tikai melns ķermenis, kas nozīmē, ka tam ir tādas pašas īpašības kā tad, ja mēs paņemtu pilnīgi melnu priekšmetu un uzkarsētu to līdz noteiktai temperatūrai. Tāpēc starojums ir tieši tāds pats visiem noteiktas masas melnajiem caurumiem - un tas ir kicker - neatkarīgi no tā, kāda informācija ir vai nav iespiesta uz notikuma horizonta.

Tomēr saskaņā ar termodinamikas likumiem tas nevar būt! Tas ir līdzvērtīgs informācijas iznīcināšanai, un tieši tās ir lietas, kuras nav atļauts.

Var šķist, ka iznīcina visu, kas deg, bet viss, kas attiecas uz iepriekš sadedzināto stāvokli, principā ir atgūstams, ja mēs izsekojam visu, kas iznāk no uguns. (Publiski pieejams)

Ja jūs sadedzināt divas identiska izmēra grāmatas ar ļoti atšķirīgu saturu, iespējams, ka jūs praktiski nespēsit rekonstruēt nevienas grāmatas tekstu, bet tintes raksti uz papīra, molekulu struktūras variācijas un citas minūtes atšķirības satur visu informāciju, un šī informācija paliek kodēta dūmos, pelnos, apkārtējā gaisā un visās pārējās spēlē esošajās daļiņās. Ja jūs varētu patvaļīgi novērot apkārtējo vidi un iekļaut grāmatas, jūs varētu rekonstruēt visu nepieciešamo informāciju; tas ir kodēts, bet nav zaudēts.

Melnā cauruma informācijas paradokss tomēr ir tāds, ka visa informācija, kas bija iespiesta melnā cauruma notikumu horizontā, tiklīdz tas iztvaiko, nav atstājis pēdas mūsu novērojamajā Visumā.

Imitētā melnā cauruma sabrukšana rada ne tikai starojuma izstarošanu, bet centrālās riņķošanas masas, kas lielāko daļu objektu uztur stabilu, sabrukšanu. Melnie caurumi nav statiski objekti, bet gan laika gaitā mainās. Tomēr melnajiem caurumiem, kas veidoti no dažādiem materiāliem, jābūt atšķirīgai informācijai, kas kodēta to notikumu horizontā (EU Communicate Science)

Šis informācijas zudums būtu jāaizliedz ar kvantu mehānikas noteikumiem. Jebkuru sistēmu var aprakstīt ar kvantu viļņu funkciju, un katra viļņa funkcija ir unikāla. Ja jūs savlaicīgi attīstīsit savu kvantu sistēmu uz priekšu, nav tā, ka divām dažādām sistēmām vajadzētu nonākt vienā un tajā pašā gala stāvoklī, bet tieši to norāda informācijas paradokss. Cik mēs to saprotam, ir jānotiek vienai no divām lietām:

  1. Vai nu melnā cauruma iztvaikošanas gadījumā informācija tiek kaut kādā veidā iznīcināta, mācot mums, ka melnā cauruma iztvaikošanai ir ieviesti jauni noteikumi un likumi,
  2. Vai arī izstarotais starojums kaut kādā veidā satur šo informāciju, kas nozīmē, ka Hokinga starojumam ir vairāk nekā līdz šim veiktiem aprēķiniem.

Šis paradokss, vairāk nekā četrdesmit gadus pēc tam, kad tas pirmo reizi tika pamanīts, joprojām nav atrisināts.

Kvantu svārstību ilustrācija, kas caurstrāvo visu kosmosu. Ja šīs svārstības kaut kādā veidā tiek uzdrukātas uz izejošo Hjūkinga starojumu, kas rodas no melnā cauruma, iespējams, ka galu galā tiks saglabāta notikumu horizontā kodētā informācija. (NASA / CXC / M.Weiss)

Kaut arī Hankinga sākotnējie aprēķini pierāda, ka iztvaikošana ar Hokinga starojuma palīdzību iznīcina visu informāciju, kas tika iespiesta melnā cauruma notikumu horizontā, mūsdienās tiek domāts, ka kaut kam jānotiek, lai šo informāciju kodētu izejošajā starojumā. Daudzi fiziķi apelē pie hologrāfiskā principa, atzīmējot, ka uz melnā cauruma virsmas kodētā informācija tīri termālā Hokinga starojuma stāvoklim piemēro kvantu korekcijas, nospiežot sevi uz radiāciju, jo melnais caurums iztvaiko un notikuma horizonts saraujas. Neskatoties uz to, ka Hokings, Džons Preskils, Kips Torns, Žerārs 't Hoofts un Leonards Susskinds veica likmes un pasludināja uzvaru un sakāvi attiecībā uz šo problēmu, paradokss joprojām ir ļoti dzīvs un neatrisināts ar daudziem hipotētiskiem risinājumiem, izņemot šo. uzrādīts šeit.

Melnā cauruma notikumu horizonts ir sfērisks vai sferoidāls reģions, no kura nevar izkļūt nekas, pat gaisma. Bet ārpus notikumu horizonta tiek prognozēts, ka melnais caurums izstaros starojumu. Hokinga 1974. gada darbs bija pirmais, kas to parādīja, un tas, domājams, bija viņa lielākais zinātniskais sasniegums. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA)

Neskatoties uz mūsu centieniem, mēs joprojām nesaprotam, vai informācija izplūst no melnā cauruma, kad tā izstaro enerģiju (un masu). Ja tas noplūst no informācijas, nav skaidrs, kā šī informācija tiek izplatīta un kad vai kur sadalās Hjūkinga sākotnējie aprēķini. Pats Hokings, neskatoties uz pieņēmumu par argumentu vairāk nekā pirms desmit gadiem, turpināja aktīvi publicēt šo tēmu, bieži paziņojot, ka beidzot ir atrisinājis paradoksu. Bet paradokss joprojām nav atrisināts, bez skaidra risinājuma. Varbūt tas ir lielākais mantojums, ko var cerēt sasniegt zinātnē: atklāt tik sarežģītu jaunu problēmu, ka risinājumam būs nepieciešamas vairākas paaudzes. Šajā konkrētajā gadījumā visi visi ir vienisprātis par to, kādam vajadzētu būt risinājumam, bet neviens nezina, kā tur nokļūt. Kamēr mēs to nedarīsim, tā paliks tikai vēl viena Hawking nesalīdzināmo, mīklaino dāvanu sastāvdaļa, ar kuru viņš dalījās ar pasauli.

Starts With A Bang tagad ir pieejams Forbes un, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem, tiek publicēts vidējā versijā. Etāns ir rakstījis divas grāmatas “Beyond The Galaxy” un “Treknoloģija: Zvaigžņu pārgājienu zinātne no Tricorders līdz Warp Drive”.