Visums ir pārsteidzoša un dīvaina vieta, kas piepildīta ar neizskaidrojamām parādībām. Šķiet, ka viena šāda parādība, melnā cauruma informācijas paradokss, ir fizikas pamatlikuma pārkāpums.
Melnā cauruma notikumu horizonts tiek uzskatīts par pēdējo robežu: ja tas atrodas aiz tā, nekas nevar atstāt melno caurumu, pat ne gaismas. Bet vai tas attiecas uz informāciju kā tādu? Vai viņa uz visiem laikiem tiks pazaudēta melnajā caurumā tāpat kā viss pārējais?
Pirmkārt, mums ir jāsaprot, ka melno caurumu informācijas paradokss nav saistīts ar to, kā mēs esam pieraduši uztvert informāciju. Kad mēs domājam par grāmatā iespiestiem vārdiem, bitu un baitu skaitu datora failā vai daļiņu konfigurācijām un kvantu īpašībām, kas veido sistēmu, mēs domājam par informāciju kā visu komplektu, kas mums viss nepieciešams, lai kaut ko no jauna izveidotu no nulles.
Tomēr šī tradicionālā informācijas definīcija nav tiešs fizisks īpašums, ko var izmērīt vai aprēķināt, kā, piemēram, to var izdarīt ar temperatūru. Mums par laimi ir fizisks īpašums, kuru mēs varam definēt kā līdzvērtīgu informācijai - entropija. Tā vietā, lai domātu par entropiju kā traucējumu mērauklu, tā būtu jādomā par “trūkstošo” informāciju, kas nepieciešama, lai noteiktu konkrētu sistēmas mikrostatījumu.
Kad melnais caurums absorbē masu, vielas entropijas daudzumu nosaka pēc tā fizikālajām īpašībām. Tomēr melnajā caurumā ir svarīgas tikai tādas īpašības kā masa, lādiņš un leņķiskais impulss. Termodinamikas otrā likuma saglabāšanai tas rada nopietnu problēmu / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Kad melnais caurums absorbē masu, vielas entropijas daudzumu nosaka pēc tā fizikālajām īpašībām. Tomēr melnajā caurumā ir svarīgas tikai tādas īpašības kā masa, lādiņš un leņķiskais impulss. Tas rada nopietnu problēmu termodinamikas otrā likuma saglabāšanai.
Visumā ir zināmi noteikumi, kas jāievēro entropijai. Otro termodinamikas likumu var saukt par neiznīcināmāko no tiem visiem: paņemiet jebkuru sistēmu, neļaujiet kaut kam ienākt vai atstājiet to - un tā entropija nekad pēkšņi nesamazināsies.
Salauzta olšūna nesavāc atpakaļ čaumalā, silts ūdens nekad nedalās karstā un aukstā daļā un pelni nekad nekļūst tāda objekta formā, kāds tas bija pirms sadedzināšanas. Tas viss būtu entropijas samazināšanās piemērs, un acīmredzot nekas tāds dabā nenotiek pats par sevi. Entropija vairumā gadījumu var palikt tāda pati un palielināties, taču tā nekad nevar atgriezties zemākā stāvoklī.
Vienīgais veids, kā mākslīgi samazināt entropiju, ir enerģijas ievadīšana sistēmā, tādējādi "maldinot" otro termodinamikas likumu, palielinot šīs sistēmas ārējo entropiju par lielāku vērtību, nekā tā samazinās šajā sistēmā. Mājas tīrīšana ir lielisks piemērs. Citiem vārdiem sakot, jūs nevarat atbrīvoties no entropijas.
Reklāmas video:
Kas notiek, kad melnais caurums barojas ar matēriju? Iedomāsimies, ka mēs iemetam grāmatu melnajā caurumā. Vienīgās īpašības, kuras mēs varam attiecināt uz melno caurumu, ir diezgan ikdienišķas: masa, lādiņš un leņķiskais impulss. Grāmatā ir informācija, bet, iemetot to melnajā caurumā, tā masa tikai palielinās. Sākotnēji, kad zinātnieki sāka pētīt šo problēmu, tika uzskatīts, ka melnā cauruma entropija ir nulle. Bet, ja tas tā būtu, kaut kā nokļūšana melnajā caurumā vienmēr pārkāptu otro termodinamikas likumu. Kas, protams, nav iespējams.
Melnā cauruma masa ir vienīgais noteicošais faktors notikuma horizonta rādiusā negrozošam, izolētam melnajam caurumam. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka melnie caurumi ir statiski objekti Visuma telpā-laikā.
Bet kā jūs aprēķināt melnā cauruma entropiju?
Šo ideju var izsekot Džonam Veileram, domājot par to, kas notiek ar objektu, kad tas iekrīt melnajā caurumā no novērotāja perspektīvas, kas atrodas tālu no notikuma horizonta. No liela attāluma mums šķiet, ka cilvēks, iekrītot melnajā caurumā, asimptotiski tuvojas notikuma horizontam, arvien vairāk un vairāk sarktot gravitācijas sarkanā nobīdes dēļ un bezgalīgi ilgi virzoties horizonta virzienā relativistiskas laika dilatācijas ietekmes dēļ. Tādējādi informācija no kaut kā, kas iekrita melnajā caurumā, paliks “šifrēta” uz tās virsmas.
Tas problēmu atrisina eleganti un izklausās saprātīgi. Kad kaut kas iekrīt melnajā caurumā, tā masa palielinās. Palielinoties masai, palielinās arī tā rādiuss un līdz ar to arī virsmas laukums. Jo lielāks virsmas laukums, jo vairāk informācijas var šifrēt.
Tas nozīmē, ka melnā cauruma entropija nepavisam nav nulle, bet tieši pretēji - milzīga. Neskatoties uz to, ka notikumu horizonts ir salīdzinoši mazs salīdzinājumā ar Visuma lielumu, viena kvantu bita ierakstīšanai nepieciešamais vietas daudzums ir mazs, kas nozīmē, ka uz melnā cauruma virsmas var reģistrēt neticami daudz informācijas. Palielinās entropija, tiek saglabāta informācija un tiek saglabāti termodinamikas likumi. Jūs varat izkliedēt, vai ne?
Informācijas bitus, kas ir proporcionāli notikuma horizonta virsmas laukumam, var iekodēt uz melnā cauruma virsmas.
Ne īsti. Ja melnajiem caurumiem ir entropija, tiem ir jābūt arī temperatūrai. Tāpat kā jebkuram citam objektam ar temperatūru, no tiem jāizstaro starojums.
Kā parādīja Stefans Hokings, melnie caurumi izstaro starojumu noteiktā spektrā (melnā ķermeņa spektrs) un noteiktā temperatūrā, ko nosaka melnā cauruma masa. Laika gaitā šis enerģijas starojums noved pie tā, ka melnais caurums zaudē savu masu saskaņā ar slaveno Einšteina vienādojumu: E = mc ^ 2. Ja tiek izstarota enerģija, tai ir jānāk no kaut kurienes, un tam “kaut kur” ir jābūt melnajam caurumam. Laika gaitā melnais caurums zaudēs savu masu ātrāk un ātrāk, un vienā brīdī - tālā nākotnē - spožā gaismas zibspuldzē tas pilnībā iztvaikos.
Bet, ja melnais caurums iztvaiko melnā ķermeņa starojumā, ko nosaka tikai tā masa, kas notiek ar visu informāciju un entropiju, kas ierakstīta tā notikumu horizontā? Galu galā jūs nevarat vienkārši iznīcināt šo informāciju?
Šī ir melnā cauruma informācijas paradoksa sakne. Melnajam caurumam jābūt ar augstu entropiju, kurā ir ietverta visa informācija par to, kas to radījis. Informācija par krītošiem objektiem tiek ierakstīta uz notikuma horizonta virsmas. Bet, kad caur Hokinga starojumu sagrauj melnais caurums, notikuma horizonts pazūd, atstājot aiz sevis tikai radiāciju. Šis starojums, kā norāda zinātnieki, ir atkarīgs tikai no melnā cauruma masas.
Iedomājieties, ka mums ir divas grāmatas - par absolūtām muļķībām un "Montekristo grāfu" -, kurās ir dažādi informācijas apjomi, taču to masa ir identiska. Mēs tos iemetam identiskos melnajos caurumos, no kuriem mēs sagaidām, ka viņi saņems līdzvērtīgu Hawking starojumu. Ārējam novērotājam viss izskatās pēc informācijas iznīcināšanas, un, ņemot vērā to, ko mēs zinām par entropiju, tas nav iespējams, jo tas pārkāptu otro termodinamikas likumu.
Ja mēs sadedzinātu šīs divas vienāda izmēra grāmatas, molekulu struktūras izmaiņas, burtu secība uz papīra un citas nelielas atšķirības saturētu informāciju, kas mums varētu palīdzēt rekonstruēt grāmatās esošo informāciju. Tas var būt pilnīgs haoss, taču pats par sevi tas nekur nenonāks. Neskatoties uz to, melno caurumu informācijas paradokss ir reāla problēma. Tiklīdz melnais caurums iztvaiko, no šīs pirmatnējās informācijas nav saglabājies nekāds pēdas novērojamajā Visumā.
Imitētais melnā cauruma samazinājums noved ne tikai pie radiācijas izstarojuma, bet arī ar centrālās rotējošās masas samazinājumu, kas lielāko daļu objektu uztur stabilu. Melnie caurumi ir nestatiski objekti, kas laika gaitā mainās. Tomēr notikumu horizontā melnajiem caurumiem, kas izveidoti no dažādiem materiāliem, jāsaglabā atšķirīga informācija.
Varbūt šim paradoksam vēl nav risinājuma, un tas rada nopietnu problēmu fizikai. Neskatoties uz to, tā iespējamajam risinājumam ir divas iespējas:
1. Melnā cauruma iztvaikošanas laikā informācija tiek pilnībā iznīcināta, kas nozīmē, ka ar šo procesu ir saistīti jauni fizikāli likumi.
2. Izstarotais starojums kaut kā satur šo informāciju, tāpēc Hokinga starojums ir kaut kas vairāk, nekā zinātnei zināms.
Lielākā daļa cilvēku, kas strādā pie šīs problēmas, uzskata, ka ir jābūt zināmam veidam, kā uz melnā cauruma virsmas uzkrātā informācija tiek "iespiesta" izejošajā starojumā. Tomēr neviens precīzi nezina, kā tas notiek. Varbūt informācija uz melnā cauruma virsmas ievieš kvantu korekcijas tikai Hokinga starojuma termiskajā stāvoklī? Varbūt, bet tas vēl nav pierādīts. Mūsdienās šim paradoksam ir daudz hipotētisku risinājumu, taču neviens no tiem vēl nav apstiprināts.
Melno caurumu informācijas paradokss nav atkarīgs no tā, vai kvantu Visuma raksturs ir deterministisks vai nedeterministisks, kurai kvantu interpretācijai jūs dodat priekšroku, vai ir slēpti mainīgie un daudzi citi realitātes rakstura aspekti. Un, lai arī daudzos no piedāvātajiem risinājumiem ir ietverts hologrāfiskais princips, vēl nav zināms, vai tam ir kāda loma paradoksa galīgajā risinājumā.
Vladimirs Guilēns
