Vesmír je úžasné a podivné místo plné nevysvětlitelných jevů. Zdá se, že jeden takový jev, informační paradox černé díry, porušuje základní fyzikální zákon.
Horizont událostí černé díry je považován za poslední hranici: jednou za ní nemůže černá díra opustit ani světlo. Platí to však pro informace jako takové? Bude navždy ztracena v černé díře jako všechno ostatní?
Nejprve musíme pochopit, že informační paradox černých děr nesouvisí s tím, jak jsme zvyklí vnímat informace. Když přemýšlíme o slovech vytištěných v knize, o počtu bitů a bajtů v počítačovém souboru nebo o konfiguraci a kvantových vlastnostech částic, které tvoří systém, myslíme na informace jako na úplnou sadu všeho, co potřebujeme k obnovení všeho od nuly.
Tato tradiční definice informací však není přímou fyzikální vlastností, kterou lze měřit nebo vypočítat, jako je tomu například s teplotou. Naštěstí pro nás existuje fyzická vlastnost, kterou můžeme definovat jako ekvivalent informace - entropie. Spíše než přemýšlet o entropii jako o míře poruchy, je třeba ji považovat za „chybějící“informaci potřebnou k určení konkrétního mikrostavu systému.
Když černá díra absorbuje hmotu, je množství entropie látky určeno jeho fyzikálními vlastnostmi. Uvnitř černé díry však záleží pouze na vlastnostech, jako je hmotnost, náboj a moment hybnosti. Pro zachování druhého termodynamického zákona to představuje vážný problém / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Když černá díra absorbuje hmotu, je množství entropie hmoty určeno jeho fyzikálními vlastnostmi. Uvnitř černé díry však záleží pouze na vlastnostech, jako je hmotnost, náboj a moment hybnosti. To představuje vážný problém pro zachování druhého zákona o termodynamice.
Ve vesmíru jsou určitá pravidla, která musí entropie dodržovat. Druhý zákon termodynamiky lze nazvat tím nejzničitelnějším ze všech: vezměte jakýkoli systém, nenechte nic vstoupit ani ho neopustit - a jeho entropie nikdy náhle neklesne.
Rozbité vajíčko se nesbírá zpět do své skořápky, teplá voda se nikdy nerozděluje na horké a studené části a popel se nikdy nesbírá do tvaru předmětu, který byl před spálením. To vše by bylo příkladem klesající entropie a zjevně se nic takového neděje v přírodě samo o sobě. Entropie může zůstat stejná a za většiny okolností se může zvyšovat, ale nikdy se nemůže vrátit do nižšího stavu.
Jediným způsobem, jak uměle snížit entropii, je zavést energii do systému, a tím „podvádět“druhý zákon termodynamiky a zvýšit entropii vně tohoto systému o větší hodnotu, než v tomto systému klesá. Úklid domu je skvělým příkladem. Jinými slovy, nemůžete se zbavit entropie.
Propagační video:
Co se stane, když se černá hmota živí hmotou? Představme si, že hodíme knihu do černé díry. Jediné vlastnosti, které můžeme připsat černé díře, jsou spíše všední: hmotnost, náboj a hybnost. Kniha obsahuje informace, ale když ji hodíte do černé díry, zvýší se pouze její hmotnost. Zpočátku, když vědci začali tento problém studovat, se věřilo, že entropie černé díry je nula. Ale pokud by tomu tak bylo, dostat něco do černé díry by vždy porušilo druhý zákon termodynamiky. Což samozřejmě není možné.
Hmotnost černé díry je jediným určujícím faktorem v poloměru horizontu události pro nerotující izolovanou černou díru. Dlouho se věřilo, že černé díry jsou statickými objekty v časoprostoru vesmíru.
Jak ale spočítáte entropii černé díry?
Tento nápad lze vysledovat zpět k Johnu Wheelerovi, přemýšlet o tom, co se stane s objektem, když spadne do černé díry z pohledu pozorovatele daleko od horizontu události. Z velké vzdálenosti by se nám zdálo, že člověk padající do černé díry asymptoticky přistupuje k horizontu události, čím dál víc a víc se červenává kvůli gravitačnímu červenému posunu a nekonečně dlouhému pohybu směrem k obzoru díky efektu relativistické dilatace času. Proto by informace z něčeho, co upadlo do černé díry, zůstaly „zašifrované“na svém povrchu.
To problém řeší elegantně a zní rozumně. Když něco spadne do černé díry, jeho hmotnost se zvětší. Se zvyšující se hmotou se zvětšuje také její poloměr a tím i plocha povrchu. Čím větší je plocha, tím více informací lze zašifrovat.
To znamená, že entropie černé díry není vůbec nula, ale naopak - obrovská. Navzdory skutečnosti, že horizont událostí je relativně malý ve srovnání s velikostí vesmíru, je množství prostoru potřebné pro záznam jednoho kvantového bitu malé, což znamená, že neuvěřitelné množství informací lze zaznamenat na povrch černé díry. Entropie se zvyšuje, informace jsou zachovány a zákony termodynamiky jsou zachovány. Můžete se rozptýlit, že?
Na povrchu černé díry mohou být kódovány bity informace úměrné ploše horizontu události.
Spíš ne. Jde o to, že pokud mají černé díry entropii, musí mít také teplotu. Stejně jako u jiných objektů s teplotou by z nich mělo vycházet záření.
Jak ukázal Stephen Hawking, černé díry vyzařují záření ve specifickém spektru (spektrum černého těla) a při specifické teplotě, stanovené hmotností černé díry. V průběhu času toto záření energie vede ke ztrátě své hmoty černou dírou podle slavné Einsteinovy rovnice: E = mc ^ 2. Pokud je vyzařována energie, musí někde pocházet a že „někde“musí být černá díra sama. Postupem času černá díra ztratí svou hmotu rychleji a rychleji a v jednom okamžiku - ve vzdálené budoucnosti - se za jasného záblesku světla zcela vypaří.
Pokud se však černá díra v záření černého těla vypařuje, určeno pouze hmotou, co se stane se všemi informacemi a entropií zaznamenanými v jejím horizontu událostí? Koneckonců nemůžete tyto informace jen zničit?
Toto je kořen paradoxu informací o černé díře. Černá díra musí mít vysokou entropii, která obsahuje všechny informace o tom, co ji vytvořilo. Informace o padajících objektech se zaznamenávají na povrch horizontu události. Když se však skrz Hawkingovo záření rozpadne černá díra, horizont události zmizí a zanechá za sebou pouze záření. Toto záření, jak vědci naznačují, závisí pouze na množství černé díry.
Představte si, že máme dvě knihy - o absolutním nesmyslu a „Hraběte Monte Cristo“- obsahující různá množství informací, ale co do hmotnosti. Házíme je do stejných černých děr, od kterých očekáváme, že dostanou ekvivalentní Hawkingovo záření. Pro vnějšího pozorovatele všechno vypadá, že se ničí informace, a vzhledem k tomu, co víme o entropii, to není možné, protože by to porušilo druhý zákon termodynamiky.
Pokud vypálíme tyto dvě knihy stejné velikosti, rozdíly v molekulární struktuře, pořadí písmen na papíře a další drobné rozdíly by obsahovaly informace, které by nám mohly pomoci rekonstruovat informace v knihách. Může to být úplný nepořádek, ale nikam to samo nepůjde. Informační paradox černých děr je nicméně skutečným problémem. Jakmile se černá díra vypaří, nezůstane v pozorovatelném vesmíru žádná stopa této prvotní informace.
Simulovaný úpadek černé díry vede nejen k emisi záření, ale také k úpadku centrální rotující hmoty, která udržuje většinu objektů stabilní. Černé díry jsou nestatické objekty, které se postupem času mění. V horizontu událostí by si však černé díry vytvořené z různých materiálů měly uchovávat různé informace.
Možná zatím neexistuje řešení tohoto paradoxu a pro fyziku to představuje vážný problém. Pro jeho možné řešení však existují dvě možnosti:
1. Informace se během odpařování černé díry úplně ničí, což znamená, že s tímto procesem jsou spojeny nové fyzikální zákony.
2. Vyzařované záření nějak tuto informaci obsahuje, a proto Hawkingovo záření je něco víc, než je vědě známo.
Většina lidí pracujících na tomto problému je přesvědčena, že musí existovat nějaký způsob, jak informace uložené na povrchu černé díry „vytisknout“do odcházejícího záření. Nikdo však přesně neví, jak k tomu dochází. Možná informace na povrchu černé díry zavádí kvantové korekce výlučně tepelného stavu Hawkingova záření? Možná, ale ještě to nebylo prokázáno. Dnes existuje mnoho hypotetických řešení tohoto paradoxu, ale žádné z nich dosud nebylo potvrzeno.
Informační paradox černých děr nezávisí na tom, zda je povaha kvantového vesmíru deterministická nebo nedeterministická, kterou kvantovou interpretaci dáváte přednost, zda existují skryté proměnné a mnoho dalších aspektů povahy reality. A ačkoli mnoho navrhovaných řešení zahrnuje holografický princip, není dosud známo, zda hraje nějakou roli v konečném řešení paradoxu.
Vladimir Guillen