A fekete lyuk eseményhorizontján kívül az általános relativitáselmélet és a kvantummező-elmélet teljesen elegendő ahhoz, hogy megértsük a fizika bekövetkezését; ez az, amit Hawking sugárzás jelent. De még e kettő kombinációja egy olyan információs paradoxonhoz vezet, amelyet még nem sikerült megoldani. (NASA)

A fekete lyuk információs paradoxonja, Stephen Hawking legnagyobb rejtvénye továbbra sem oldódott meg

A paradoxon azt állítja, hogy maga Hawking többször is megoldást talált, de a javaslatok egyike sem tartotta be a vizsgálatot. A paradoxon még mindig megoldatlan.

Stephen Hawking elmúlásával a tudomány nemcsak elvesztette legfelismerhetőbb közfiguráját, hanem a fekete lyukak természetének figyelemre méltó kutatóját is. Noha végső munkája valószínűleg inkább a kozmológia mai egzisztenciális kihívásaira összpontosított, legfontosabb tudományos munkája az volt, hogy felfedezzen néhány hihetetlen kvantum-igazságot az Univerzumról, a legszélsőségesebb tárgyainak megvizsgálásával. A fekete lyukakat, amelyeket egyszer statikusnak, változatlannak és csak tömegük, töltésük és centrifugálásuk alapján határoztak meg, munkáján keresztül folyamatosan fejlődő motorokká alakították át, amelyek hőmérsékleten bocsátottak ki sugárzást és végül elpárologtak az idő múlásával. Ennek a most elfogadott tudományos következtetésnek - amely megállapítja a Hawking-sugárzás jelenlétét és tulajdonságait - óriási következményei voltak: ez a fekete lyuk lehetőséget adott arra, hogy elpusztítsa az Univerzummal kapcsolatos információkat. Annak ellenére, hogy a világ legvilágosabb elméi több mint 40 éve foglalkoznak a problémával, a fekete lyukkal kapcsolatos információs paradoxon továbbra sem oldódott meg.

Amikor egy tömeget egy fekete lyuk vesz fel, akkor az anyag entrópiájának mennyiségét annak fizikai tulajdonságai határozzák meg. A fekete lyuk belsejében azonban csak olyan tulajdonságok számítanak, mint a tömeg, a töltés és a szögmozgás. Ez nagy gondot jelent, ha a termodinamika második törvényének igaznak kell maradnia. Ábra: (NASA / CXC / M.Weiss; Röntgen (felül): NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al. (L); Optikai: ESO / MPE / S.Komossa (R))

A termodinamika második törvénye az univerzum egyik sérthetetlen szabálya: vegyen igénybe bármilyen rendszert, ne engedjen bele semmit, sem pedig hagyja el, entrópiája soha nem fog spontán csökkenni. A tojások nem spontán módon szétszerelik magukat, a meleg víz soha nem válik szét hideg és meleg részekre, és a hamu nem válik össze annak a tárgynak a formájával, amelyikben égés előtt voltak. Mindez példa a csökkenő entrópiára, és ez a természetben nem történik meg önmagában. Az entrópia változatlan maradhat; legtöbb körülmények között növekszik; de soha nem térhet vissza alacsonyabb entrópiájú állapotba. Valójában az entrópia mesterséges csökkentésének egyetlen módja az energia szivattyúzása egy rendszerbe, a második törvény „megtévesztése” azáltal, hogy a rendszeren kívüli entrópiát nagyobb mértékben növeli, mint amennyit a rendszerén belül csökken. (Az egyik ilyen példa a ház tisztítása.) Egyszerűen fogalmazva: az entrópiát soha nem szabad megsemmisíteni.

A fekete lyuk tömege az eseményhorizont sugara egyedüli meghatározó tényezője egy nem forgó, elkülönített fekete lyuk számára. Régóta azt gondoltak, hogy a fekete lyukak statikus tárgyak az univerzum téridőében. (SXS csapat; Bohn et al 2015)

A fekete lyukak esetében a gondolat - sokáig - az volt, hogy nulla entrópiájuk van, de ez nem lehet igaz. Ha az a kérdés, amelyből fekete lyukakat készített, nem nulla entrópiával rendelkezik, akkor az anyagnak egy fekete lyukba dobásával az entrópiának fel kell lépnie, vagy ugyanazzal kell maradnia; soha nem ment le. A fekete lyuk entrópiájának gondolata visszavezethető John Wheelerre, aki arra gondolt, mi történik egy objektummal, amikor egy megfigyelő szempontjából egy fekete lyukba esik az esemény horizontján kívül. Messze távolról esik valaki, aki asimptotikusan megközelíti az eseményhorizontot, és a gravitációs vöröseltolódás miatt vörösebbé és vörösbe fordul, és végtelenül hosszú időbe telik, hogy elérje a horizontot, mivel a relativista időtágulás hatályba lépett. Ezért úgy tűnik, hogy az információ, bármi is beleesik, maga a fekete lyuk felületén van kódolva.

A fekete lyuk felületére kódolt információs bit lehet, az eseményhorizont felületével arányosan. (T. B. Bakker / Dr. J. P. van der Schaar, Amszterdam Universiteit)

Mivel a fekete lyuk tömege határozza meg annak horizontjának méretét, ez természetes helyet adott a fekete lyuk entrópiájának létezésére: az eseményhorizont felületén. A fekete lyukak hirtelen hatalmas entrópiájával rendelkeztek, azon kvantumbitek számán alapulva, amelyeket egy adott méretű eseményhorizonton lehet kódolni. De bármi, amely entrópiával rendelkezik, hőmérséklete is van, ami azt jelenti, hogy sugárzik. Amint Hawking híresen bemutatta, a fekete lyukak egy adott (fekete test) spektrumú és hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki, amelyet a fekete lyuk tömege határoz meg. Idővel ez az energiakibocsátás azt jelenti, hogy a fekete lyuk veszít tömegét, Einstein híres E = mc2 miatt; ha energiát szabadít fel, akkor honnan kell származnia, és „valahol” maga a fekete lyuk kell, hogy legyen. Az idő múlásával a fekete lyuk gyorsabban és gyorsabban veszíti el a tömegét, amíg a jövő távoli ragyogó fényhullámában teljesen el nem párolog.

Az örök sötétség látszólag örökkévaló hátterében egyetlen fény villanás lép fel: a világegyetem utolsó fekete lyukának elpárologtatása. (ortega-képek / pixabay)

Ez egy nagyszerű történet, de van egy problémája. Az általa kibocsátott sugárzás pusztán fekete test, azaz ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik, mintha egy teljesen fekete tárgyat vettünk és egy adott hőmérsékletre melegítettük volna. A sugárzás tehát pontosan megegyezik egy adott tömegű fekete lyukakkal - és ez a rúgás - függetlenül attól, hogy milyen információ van vagy nem kerül az esemény horizontjára.

A termodinamika törvényei szerint ez azonban nem lehet! Ez megegyezik az információ megsemmisítésével, és kifejezetten az az, amit tilos.

Bármi megsemmisülhet, ami ég, az elégetett állapotról elvben minden helyrehozható, ha mindent nyomon követünk, ami a tűzből jön ki. (Közösségi terület)

Ha két azonos méretű, nagyon eltérő tartalmú könyvet ír, valószínűleg nem tudja rekonstruálni egyik könyv szövegét, de a papíron lévő tintaminták, a molekuláris szerkezetek változásai és egyéb apró különbségek mind tartalmaznak információkat, és az információ kódolt marad a füstben, hamuban, a környező levegőben és a többi játékban lévő részecskében. Ha önkényes pontossággal megfigyelheti a környező környezetet, és belefoglalhatja a könyveket, akkor az összes kívánt információt rekonstruálhatja; összekeveredik, de nem veszít el.

A fekete lyuk információs paradoxona azonban az, hogy az összes információ, amelyet a fekete lyuk eseményhorizontjára nyomtattak, amint elpárolog, nem hagyott nyomot a megfigyelhető univerzumban.

A fekete lyuk szimulált pusztulása nemcsak a sugárzás kibocsátását eredményezi, hanem a központi keringő tömeg romlását is, amely a legtöbb tárgyat stabilként tartja. A fekete lyukak nem statikus tárgyak, hanem idővel változnak. A különböző anyagokból kialakított fekete lyukaknak azonban eltérő információval kell rendelkezniük az esemény horizontjukon (EU kommunikációs tudomány).

Ezt az információvesztést a kvantummechanika szabályaival kell tiltani. Bármelyik rendszer leírható kvantumhullám-funkcióval, és minden hullámfunkció egyedi. Ha előre haladja a kvantumrendszerét, akkor nincs mód arra, hogy két különböző rendszer érkezzen ugyanabba a végállapotba, de pontosan ezt állítja az információs paradoxon. Amennyire megértjük, a két dolog egyikének kell történnie:

  1. Vagy az információ valamely módon valóban megsemmisül, amikor egy fekete lyuk elpárolog, és megtanítja nekünk, hogy új szabályok és törvények vannak érvényben a fekete lyuk párolgására,
  2. Vagy a kibocsátott sugárzás valamilyen módon tartalmazza ezt az információt, vagyis a Hawking-sugárzás többet jelent, mint az eddig elvégzett számítások.

Ez a paradoxon, több mint negyven évvel az első észrevétele után, még mindig nem oldódott meg.

A kvantumingadozások szemléltetése, amelyek áthatolnak az egész térben. Ha ezeket az ingadozásokat valamilyen módon lenyomják a fekete lyukból származó kimenő Hawking sugárzásra, akkor valószínű, hogy az eseményhorizonton kódolt információkat végül megőrzik. (NASA / CXC / M.Weiss)

Míg a Hawking eredeti számításai azt mutatják, hogy a Hawking sugárzással történő párolgás elpusztít minden információt, amelyet a fekete lyuk eseményhorizontjára nyomtak, addig a modern gondolat az, hogy történjen valami, hogy ezt az információt a kimenő sugárzásba kódolja. Számos fizikus fellebbezi a holografikus elvet, megjegyezve, hogy a fekete lyuk felületén kódolt információk kvantumkorrekciókat alkalmaznak a tisztán termikus Hawking sugárzási állapotra, és a sugárzásra nyomtatják magukat, amikor a fekete lyuk elpárolog és az eseményhorizont összehúzódik. Annak ellenére, hogy Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft és Leonard Susskind fogadásokat tett és győzelmet és vereséget jelentettek e probléma vonatkozásában, a paradoxon nagyon él és megoldatlan marad, sok hipotézis nélküli megoldással, kivéve itt bemutatott.

A fekete lyuk eseményhorizontja egy gömbös vagy gömb alakú régió, ahonnan semmi, még a fény sem sem tud menekülni. De az esemény horizontján kívül a fekete lyuk várhatóan sugárzást bocsát ki. Hawking 1974-es munkája volt az első, aki ezt bizonyította, és ez vitathatatlanul a legnagyobb tudományos eredménye. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) és társai; ESA)

Legfőbb erőfeszítéseink ellenére továbbra sem értjük, hogy az információ (és tömeg) sugárzásakor a fekete lyukból kiszivárog-e az információ. Ha szivárog az információ, nem világos, hogyan szivárog az információ, és mikor és hol bontják el Hawking eredeti számításai. Maga Hawking, annak ellenére, hogy több mint egy évtizeddel ezelőtt vitatta az érvelést, továbbra is aktívan közzétette a témát, gyakran kijelentette, hogy végre megoldotta a paradoxont. A paradoxon azonban továbbra sem oldott meg, világos megoldás nélkül. Talán ez a legnagyobb örökség, amelyet a tudományban reménykedhet elérni: olyan komplex új probléma feltárása, amelynek megoldására több generációt igényel. Ebben az esetben a legtöbb ember egyetért abban, hogy a megoldásnak hogyan kell kinéznie, de senki sem tudja, hogyan lehet odajutni. Amíg meg nem tesszük, Hawking összehasonlíthatatlan, rejtélyes ajándékainak csak egy része marad, amelyet megosztott a világgal.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.