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 Black Hole információs paradoxon, Stephen Hawking legnagyobb rejtvénye, továbbra sem oldódott meg

A paradoxon azt állítja, hogy maga Hawking többször is megoldást talált, de a javaslatok egyikét sem tartották ellenőrzés alatt. A paradoxon továbbra sem oldódott meg.

Stephen Hawking elmúltával a tudomány nemcsak elvesztette legfelismerhetőbb közfiguráját, hanem a fekete lyukak természetének figyelemre méltó kutatóját is. Noha végső munkája valószínűleg inkább a kozmológia előtt álló néhány egzisztenciális kihívásra összpontosított, legnagyobb tudományos hozzájárulása az volt, hogy felfedezzen néhány hihetetlen kvantum-igazságot az Univerzumról, a legszélsőségesebb tárgyainak vizsgálata révén. A fekete lyukakat, amelyeket statikusnak, változatlannak és csak tömegük, töltésük és centrifugálásuk alapján határoztak meg, munkáján keresztül olyan fejlődő motorokká alakították át, amelyek hőmérsékleten bocsátottak ki sugárzást és végül elpárologtak az idő múlásával. Ennek a most elfogadott tudományos következtetésnek - amely a Hawking-sugárzás jelenlétét és tulajdonságait következtetni lehetett - óriási következménye volt: hogy a fekete lyukak módot adtak az univerzummal kapcsolatos információk megsemmisítésére. 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 be minden olyan rendszert, amely tetszik, 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 felel meg annak a tárgynak a formájához, amelyik az égés előtt volt. 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 pumpálása egy rendszerbe, a második törvény „megtévesztése” azáltal, hogy a rendszer külső entrópiáját nagyobb mértékben növeli, mint amennyit a rendszerében 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, elszigetelt 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 - hosszú ideig - 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 azon gondolkodott, hogy mi történik egy objektummal, amikor egy megfigyelő szempontjából egy fekete lyukba esik az esemény horizontján kívül. Távolról esik, hogy egy beeső személy aszimptotikusan megközelíti az eseményhorizontot, és a gravitációs vöröseltolódás következtében vörösebbé és vörösbe fordul, és végtelenül hosszú időbe telik, hogy elérje a horizontot, mivel a relativista időtágulás hatályba lépett. Tehát úgy tűnik, hogy az információk, bármi is beleestek, a fekete lyuk felületén vannak kódolva.

A fekete lyuk felületére kódolt információs bit lehet, az eseményhorizont felületével arányos. (TB Bakker / Dr. JP van der Schaar, Amszterdami Egyetem)

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 bebizonyította, a fekete lyukak egy adott (fekete test) spektrum és hőmérséklet sugárzását bocsátják 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 egy távoli fényszóróban a jövőben teljesen elpárolog.

Az örök sötétség látszólag örök 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 összes fekete lyukkal - és ez a rúgás - függetlenül attól, hogy milyen információ szerepel vagy nem nyomódik meg az esemény horizontján.

A termodinamika törvényei szerint ez azonban nem lehet! Ez megegyezik az információ megsemmisítésével, és kifejezetten 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 éget, akkor valószínűleg nem lesz képes rekonstruálni egyik könyv szövegét, de a papíron lévő tintaminták, a molekuláris szerkezetek változásai és más 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 információt rekonstruálni tudja; összekeverik, de nem vesznek 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 bomlása nemcsak a sugárzás kibocsátását eredményezi, hanem a központi keringő tömeg romlását is, amely a legtöbb tárgyat stabilnak tartja. A fekete lyukak nem statikus tárgyak, hanem idővel változnak. A különböző anyagokból kialakított fekete lyukaknak azonban eltérő információval kell rendelkezniük az eseményhorizontjukra (EU kommunikációs tudomány)

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

  1. Vagy az információ valahogy 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, ami azt jelenti, hogy 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 információk végül megmaradnak. (NASA / CXC / M.Weiss)

Míg 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, számos, a feltételezett kivételével megoldással itt bemutatott.

A fekete lyuk eseményhorizontja egy gömb 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 egy 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, 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.