Izvan horizonta crne rupe događaja, Opća relativnost i teorija kvantnog polja potpuno su dovoljni za razumijevanje fizike onoga što se događa; to je Hawkingovo zračenje. Ali čak i kombinacija ta dva vodi do informativnog paradoksa koji još nije riješen. (NASA)

Paradoks informacija o crnoj rupi, najveća zagonetka Stephena Hawkinga, još uvijek nije riješena

Paradoks je onaj za koji je i sam Hawking tvrdio da ima rješenje već puno puta, ali nijedan se prijedlog ne drži pod nadzorom. Paradoks je još uvijek neriješen.

Prolaskom Stephena Hawkinga znanost je izgubila ne samo svoju najprepoznatljiviju javnu ličnost, već i izvanredan istraživač prirode crnih rupa. Iako se njegov posljednji rad možda više usredotočio na neke egzistencijalne izazove s kojima se suočava kozmologija danas, njegov najveći znanstveni doprinos bio je u otkrivanju nevjerojatnih kvantnih istina o Svemiru istražujući njegove najekstremnije predmete. Crne rupe, za koje se nekoć mislilo da su statične, nepromjenjive, a koje su definirane samo njihovom masom, nabojem i okretanjem, kroz njegov su se rad pretvorile u stalno razvijajuće se motore koji su imali temperaturu, emitirali zračenje i na kraju isparali s vremenom. Pa ipak, ovaj prihvaćeni znanstveni zaključak - zaključivanje prisutnosti i svojstava Hawkingove radijacije - imao je ogromnu posljedicu: da su crne rupe omogućile uništavanje podataka o Svemiru. Usprkos 40+ godina rada na ovom svijetu s najsvjetlijim umovima, informativni paradoks crne rupe i dalje ostaje neriješen.

Kad masa proždire crnu rupu, količina entropije koju stvar ima određuje se prema njenim fizičkim svojstvima. Ali u crnoj rupi su samo svojstva kao što su masa, naboj i moment ugla. To predstavlja veliku zagonetku ako drugi zakon termodinamike mora ostati istinit. Ilustracija: (NASA / CXC / M.Weiss; X-zraka (gore): NASA / CXC / MPE / S.Komossa i dr. (L); Optički: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Drugi zakon termodinamike jedno je od najoputljivijih pravila svemira: uzmite bilo koji sustav koji volite, ne dozvolite da bilo što uđe ili napusti i entropija se nikad neće spontano smanjivati. Jaja se sami ne razgrađuju, topla voda se nikada ne odvaja na tople i hladne dijelove, a pepeo se ponovno ne oblikuje u oblik u kojem su bili prije spaljivanja. Sve bi ovo bio primjer smanjenja entropije, a to se u prirodi ne događa samo po sebi. Entropija može ostati ista; u većini okolnosti se povećava; ali nikad se ne može vratiti u stanje niže-entropije. Zapravo, jedini način da se entropija umjetno smanji je pumpa energije u sustav, "varanje" drugog zakona povećanjem entropije izvan sustava za veći iznos nego što se smanjuje unutar vašeg sustava. (Čišćenje kuće jedan je od takvih primjera.) Jednostavno rečeno, entropija se nikad ne može uništiti.

Masa crne rupe jedini je odlučujući faktor polumjera događaja, za izoliranu crnu rupu koja se ne rotira. Dugo se smatralo da su crne rupe statički objekti u prostornom vremenu Svemira. (SXS tim; Bohn i ostali 2015)

Što se tiče crnih rupa, dugo je razmišljala - da imaju nultu entropiju, ali to ne može biti ispravno. Ako bi materija iz koje ste napravili crne rupe imala entropiju koja nije jednaka nuli, onda bi bacajući taj materijal u crnu rupu, entropija bi se trebala popeti ili ostati ista; nikad se ne bi moglo spustiti. Ideja za entropiju crne rupe seže do Johna Wheelera, koji je razmišljao o tome što se događa s predmetom dok padne u crnu rupu sa stajališta promatrača izvan horizonta događaja. Iz daleka bi se činilo da bi netko koji je pao asimptotski prišao horizontu događaja, postajući sve crveniji i crveniji zbog gravitacijskog pomicanja crteža i uzimajući beskonačno dugo vremena da dođe do horizonta, kako je stupila efektivna relativistička dilatacija vremena. Podaci, dakle, od onoga što je palo izgledalo bi bilo kodirano na površini same crne rupe.

Kodirani na površini crne rupe mogu biti bitovi informacija, proporcionalni površini područja horizonta događaja. (T.B. Bakker / Dr. J. P. van der Schaar, Sveučilište u Amsterdamu)

Budući da masa crne rupe određuje veličinu njenog događaja, ovo je prirodno mjesto za entropiju crne rupe: na površini horizonta događaja. Odjednom su crne rupe imale golemu entropiju, koja se temeljila na broju kvantnih bitova koji se mogu kodirati na horizontu događaja određene veličine. Ali sve što ima entropiju također ima temperaturu, što znači da zrači. Kao što je Hawking pokazao, crne rupe emitiraju zračenje određenog (crnog tijela) spektra i temperature, određene masom crne rupe iz koje dolazi. S vremenom ta emisija energije znači da crna rupa gubi masu zahvaljujući Einsteinovom čuvenom E = mc2; ako se energija oslobađa, ona mora dolaziti odnekud, i to "negdje" mora biti sama crna rupa. S vremenom će crna rupa brže i brže gubiti masu, sve dok u budućnosti sjajni bljesak svjetlosti ne ispari u potpunosti.

Naoko vječna pozadina vječne tame, pojavit će se jedan jedini bljesak svjetlosti: isparavanje konačne crne rupe u Svemiru. (ortega-slike / pixabay)

Ovo je sjajna priča, ali ima problema. Zračenje koje emitira je čisto crno tijelo, što znači da ima ista svojstva kao da smo uzeli potpuno crni predmet i zagrijali ga do određene temperature. Zračenje je, dakle, potpuno isto za sve crne rupe određene mase - i to je poticaj - bez obzira na to koje su informacije ili nisu utisnute na horizont događaja.

Prema zakonima termodinamike to, međutim, ne može biti! To je ekvivalent uništavanja informacija, a posebno je ono što je onemogućeno.

Čini se da sve što izgara može biti uništeno, ali u principu se sve o prethodno izgorjelom stanju može povratiti ako pratimo sve što nastane iz vatre. (Javna domena)

Ako snimite dvije knjige jednake veličine s vrlo različitim sadržajem, možda nećete moći rekonstruirati tekst bilo koje knjige, ali obrasci tinte na papiru, varijacije u molekularnim strukturama i ostale minutne razlike sadrže informacije, i te informacije ostaju kodirane u dimu, pepelu, okolnom zraku i svim ostalim česticama u igri. Ako biste mogli nadgledati okoliš oko sebe i uključivati ​​knjige s proizvoljnom točnošću, mogli biste rekonstruirati sve željene informacije; iskrivljena je, ali nije izgubljena.

Paradoks informacije o crnoj rupi je, međutim, da sve informacije koje su utisnute na horizont crne rupe događaja, kad jednom ispare, nisu ostavile traga u našem promatranom Univerzumu.

Simulirano propadanje crne rupe ne rezultira samo emisijom zračenja, već i raspadanjem mase središnje orbite koja održava većinu objekata stabilnom. Crne rupe nisu statički objekti, već se s vremenom mijenjaju. Međutim, crne rupe od različitih materijala trebale bi imati različite podatke kodirane u horizontima svojih događaja. (EU Communic Science)

Ovaj gubitak podataka trebao bi biti zabranjen pravilima kvantne mehanike. Svaki se sustav može opisati kvantnom valnom funkcijom, a svaka valna funkcija je jedinstvena. Ako vremenom razvijete svoj kvantni sustav naprijed, ne postoje načini da dva različita sustava dođu do istog konačnog stanja, ali upravo to paradoks informacija podrazumijeva. Koliko razumijemo, mora se dogoditi jedna od dvije stvari:

  1. Ili se istinski podaci nekako uništavaju kada crna rupa isparava, podučavajući nas da postoje nova pravila i zakoni za isparavanje crne rupe,
  2. Ili zračenje koje se emitira nekako sadrži ove informacije, što znači da prema Hawkingovom zračenju postoji više nego što smo izračunali do sada.

Taj paradoks, više od četrdeset godina nakon što je prvi put primijećen, još uvijek nikada nije riješen.

Ilustracija kvantnih kolebanja koja prožimaju cijeli prostor. Ako su te fluktuacije na neki način utisnute na odlazno Hawkingovo zračenje koje proizlazi iz crne rupe, moguće je da će se informacije kodirane na horizontu događaja ipak sačuvati. (NASA / CXC / M.Weiss)

Iako originalni proračuni Hawkinga pokazuju da isparavanje putem Hawkingove radijacije uništava sve podatke koji su utisnuti na horizont događaja crne rupe, moderna je misao da se mora nešto dogoditi za kodiranje tih informacija u odlaznom zračenju. Mnogi se fizičari pozivaju na holografski princip, primjećujući da informacije kodirane na površini crne rupe primjenjuju kvantne korekcije na čisto termičko stanje Hawkingove radijacije, utječući na zračenje dok crna rupa isparava i horizont događaja se smanjuje. Unatoč činjenici da su Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft i Leonard Susskind kladili i proglasili pobjedu i poraz u vezi s tim problemom, paradoks ostaje vrlo živ i neriješen, s mnogim hipoteziranim rješenjima osim onog predstavljena ovdje.

Horizont događaja crne rupe je sferna ili sferoidna regija iz koje ništa, pa ni svjetlost, ne može pobjeći. Ali izvan horizonta događaja predviđa se da će crna rupa emitirati zračenje. Hawkingov rad iz 1974. bio je prvi koji je to pokazao, i vjerojatno je bilo njegovo najveće znanstveno dostignuće. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) i dr .; ESA)

Unatoč našim naporima, još uvijek ne razumijemo da li informacija istječe iz crne rupe kad zrači energijom (i masom). Ako ne procuri podatke, nejasno je kako su te informacije procurile i kada ili gdje se raščlanjuju Hawkingovi originalni izračuni. Sam Hawking, unatoč priznavanju teorije prije više od desetljeća, nastavio je aktivno objavljivati ​​temu, često izjavljujući da je napokon riješio paradoks. Ali paradoks ostaje neriješen, bez jasnog rješenja. Možda je to najveće naslijeđe koje se može postići u znanosti: otkriti novi problem toliko složen da će trebati više generacija da bi se došlo do rješenja. U ovom konkretnom slučaju, većina se slaže kako bi rješenje trebalo izgledati, ali nitko ne zna kako doći. Dok to ne učinimo, ostat će samo još jedan dio Hawkingovih neusporedivih, zagonetnih darova koje je podijelio sa svijetom.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.