Alam Semesta adalah tempat yang luar biasa dan aneh yang dipenuhi dengan fenomena yang tidak dapat dijelaskan. Salah satu fenomena seperti itu, paradoks maklumat lubang hitam, nampaknya melanggar undang-undang asas fizik.
Cakerawala peristiwa lubang hitam dianggap sebagai sempadan terakhir: sekali di luarnya, tidak ada yang dapat meninggalkan lubang hitam, bahkan cahaya. Tetapi adakah ini berlaku untuk maklumat seperti itu? Adakah dia akan hilang selama-lamanya di lubang hitam seperti yang lain?
Pertama sekali, kita mesti memahami bahawa paradoks maklumat dari lubang hitam tidak berkaitan dengan bagaimana kita digunakan untuk memahami maklumat. Apabila kita memikirkan kata-kata yang dicetak dalam buku, jumlah bit dan bait dalam fail komputer, atau konfigurasi dan sifat kuantum zarah-zarah yang membentuk sebuah sistem, kita menganggap maklumat sebagai satu set lengkap dari semua yang kita perlukan untuk mencipta sesuatu dari awal.
Walau bagaimanapun, definisi tradisional maklumat ini bukan sifat fizikal langsung yang dapat diukur atau dihitung, seperti, misalnya, dapat dilakukan dengan suhu. Nasib baik bagi kami, ada harta benda fizikal yang dapat kami tentukan setara dengan maklumat - entropi. Daripada menganggap entropi sebagai ukuran kekacauan, ia harus dianggap sebagai maklumat "hilang" yang diperlukan untuk menentukan mikrostat sistem tertentu.
Apabila lubang hitam menyerap jisim, jumlah entropi suatu bahan ditentukan oleh sifat fizikalnya. Walau bagaimanapun, di dalam lubang hitam, hanya sifat seperti jisim, cas, dan momentum sudut. Untuk pemeliharaan undang-undang termodinamik kedua, ini menimbulkan masalah / & salinan yang serius; NASA / CXC / M. WEISS Apabila lubang hitam menyerap jisim, jumlah entropi jirim ditentukan oleh sifat fizikalnya. Walau bagaimanapun, di dalam lubang hitam, hanya sifat seperti jisim, cas, dan momentum sudut. Ini menimbulkan masalah serius bagi pemeliharaan undang-undang termodinamik kedua.
Terdapat peraturan tertentu di alam semesta yang mesti dipatuhi oleh entropi. Undang-undang termodinamik kedua boleh disebut yang paling tidak dapat dihancurkan dari semuanya: ambil sistem apa pun, jangan biarkan apa-apa masuk atau meninggalkannya - dan entropinya tidak akan tiba-tiba menurun.
Telur yang pecah tidak terkumpul kembali ke dalam cangkangnya, air suam tidak pernah berpisah menjadi bahagian panas dan sejuk, dan abu tidak pernah terkumpul ke dalam bentuk objek sebelum ia dibakar. Semua ini akan menjadi contoh penurunan entropi, dan jelas tidak seperti ini berlaku secara semula jadi. Entropi dapat tetap sama dan meningkat dalam kebanyakan keadaan, tetapi tidak pernah dapat kembali ke keadaan yang lebih rendah.
Satu-satunya cara untuk mengurangkan entropi secara artifisial adalah dengan memasukkan tenaga ke dalam sistem, dengan itu "menipu" undang-undang termodinamik kedua, meningkatkan entropi luaran ke sistem ini dengan nilai yang lebih besar daripada yang menurun dalam sistem ini. Pembersihan rumah adalah contoh yang baik. Dengan kata lain, anda tidak dapat menyingkirkan entropi.
Video promosi:
Jadi apa yang berlaku apabila lubang hitam memakan bahan? Mari kita bayangkan bahawa kita membuang sebuah buku ke dalam lubang hitam. Satu-satunya sifat yang dapat kita kaitkan dengan lubang hitam adalah biasa: jisim, cas, dan momentum sudut. Buku ini mengandungi maklumat, tetapi apabila anda membuangnya ke dalam lubang hitam, buku itu hanya akan bertambah. Pada mulanya, ketika para saintis mula mengkaji masalah ini, dipercayai bahawa entropi lubang hitam adalah sifar. Tetapi sekiranya demikian, memasukkan sesuatu ke dalam lubang hitam akan selalu melanggar undang-undang termodinamik kedua. Yang tentunya mustahil.
Jisim lubang hitam adalah satu-satunya faktor penentu dalam radius cakrawala peristiwa bagi lubang hitam terpencil yang tidak berputar. Untuk masa yang lama, dipercayai bahawa lubang hitam adalah objek statik pada ruang-waktu di alam semesta.
Tetapi bagaimana anda mengira entropi lubang hitam?
Idea ini dapat ditelusuri kembali ke John Wheeler, yang merenungkan apa yang terjadi pada objek ketika jatuh ke lubang hitam dari perspektif pemerhati yang jauh dari cakrawala peristiwa. Dari jarak jauh, nampaknya kita bahawa seseorang yang jatuh ke dalam lubang hitam mendekati cakerawala peristiwa, semakin tersipu malu kerana pergeseran merah graviti dan bergerak jauh ke arah cakrawala kerana pengaruh pelebaran waktu relativistik. Oleh itu, maklumat dari sesuatu yang jatuh ke dalam lubang hitam akan tetap "disulitkan" di permukaannya.
Ini menyelesaikan masalah dengan elegan dan terdengar masuk akal. Apabila sesuatu jatuh ke dalam lubang hitam, jisimnya bertambah. Dengan bertambahnya jisim, jejarinya juga meningkat, dan dengan itu luas permukaannya. Semakin besar luas permukaannya, semakin banyak maklumat yang dapat disulitkan.
Ini bermaksud bahawa entropi lubang hitam sama sekali tidak sifar, tetapi sebaliknya - besar. Walaupun fakta bahawa cakrawala peristiwa relatif kecil dibandingkan dengan ukuran alam semesta, jumlah ruang yang diperlukan untuk merakam satu bit kuantum adalah kecil, yang bermaksud bahawa jumlah maklumat yang luar biasa dapat direkam di permukaan lubang hitam. Entropi meningkat, maklumat dipelihara, dan undang-undang termodinamika dipelihara. Anda boleh bersurai, bukan?
Sebilangan maklumat berkadar dengan luas permukaan cakrawala peristiwa dapat dikodkan pada permukaan lubang hitam.
Tidak juga. Intinya adalah, jika lubang hitam mempunyai entropi, ia juga mesti mempunyai suhu. Seperti objek lain dengan suhu, radiasi harus datang dari mereka.
Seperti yang ditunjukkan oleh Stephen Hawking, lubang hitam memancarkan radiasi dalam spektrum tertentu (spektrum badan hitam) dan pada suhu tertentu, ditentukan oleh jisim lubang hitam. Dari masa ke masa, sinaran tenaga ini menyebabkan kehilangan jisimnya oleh lubang hitam, menurut persamaan Einstein yang terkenal: E = mc ^ 2. Sekiranya tenaga dipancarkan, ia mesti datang dari suatu tempat, dan "tempat" itu mestilah lubang hitam itu sendiri. Lama kelamaan, lubang hitam akan kehilangan jisimnya lebih cepat dan cepat, dan pada satu ketika - dalam masa yang akan datang - ia akan tersejat sepenuhnya dalam kilatan cahaya yang terang.
Tetapi jika lubang hitam menguap dalam radiasi badan hitam, yang ditentukan hanya oleh jisimnya, apa yang berlaku dengan semua maklumat dan entropi yang tercatat di cakerawala kejadiannya? Lagipun, anda tidak boleh memusnahkan maklumat ini?
Inilah akar paradoks maklumat lubang hitam. Lubang hitam mesti mempunyai entropi tinggi, yang merangkumi semua maklumat mengenai apa yang membuatnya. Maklumat mengenai objek jatuh dicatatkan di permukaan cakrawala peristiwa. Tetapi apabila lubang hitam mereput melalui radiasi Hawking, cakrawala kejadian hilang, hanya meninggalkan radiasi. Sinaran ini, seperti yang disarankan oleh saintis, hanya bergantung pada jisim lubang hitam.
Bayangkan bahawa kita mempunyai dua buku - mengenai omong kosong mutlak dan "The Count of Monte Cristo" - yang mengandungi jumlah maklumat yang berbeza, tetapi serupa dalam jumlah besar. Kami membuangnya ke lubang hitam yang serupa, dari mana kami menjangkakan akan menerima radiasi Hawking yang setara. Bagi pemerhati luar, semuanya kelihatan seperti maklumat sedang dimusnahkan, dan memandangkan apa yang kita ketahui mengenai entropi, ini mustahil, kerana ia akan melanggar undang-undang termodinamik kedua.
Sekiranya kita membakar kedua-dua buku dengan ukuran yang sama, variasi struktur molekul, susunan huruf di atas kertas, dan perbezaan kecil lainnya akan mengandungi maklumat yang dapat membantu kita menyusun semula maklumat di dalam buku-buku tersebut. Ini mungkin kekacauan yang lengkap, tetapi ia tidak akan pergi ke mana-mana sendiri. Walau bagaimanapun, paradoks maklumat mengenai lubang hitam adalah masalah sebenar. Setelah lubang hitam menguap, tidak ada jejak maklumat purba ini di alam semesta yang dapat dilihat.
Pereputan simulasi lubang hitam tidak hanya membawa kepada pelepasan radiasi, tetapi juga peluruhan jisim berputar pusat, yang membuat kebanyakan objek tetap stabil. Lubang hitam adalah objek bukan statik yang berubah dari masa ke masa. Walau bagaimanapun, di cakerawala peristiwa, lubang hitam yang terbentuk dari bahan yang berlainan harus menyimpan maklumat yang berbeza.
Mungkin belum ada penyelesaian untuk paradoks ini dan ini menimbulkan masalah serius bagi fizik. Walaupun begitu, terdapat dua pilihan untuk kemungkinan penyelesaiannya:
1. Maklumat hancur sepenuhnya semasa penyejatan lubang hitam, yang bermaksud bahawa undang-undang fizikal baru dikaitkan dengan proses ini.
2. Radiasi yang dipancarkan entah bagaimana mengandungi maklumat ini, oleh itu, radiasi Hawking adalah sesuatu yang lebih daripada yang diketahui oleh sains.
Sebilangan besar orang yang menangani masalah ini percaya bahawa mesti ada beberapa cara di mana maklumat yang tersimpan di permukaan lubang hitam "dicantumkan" dalam sinaran keluar. Walau bagaimanapun, tidak ada yang tahu dengan tepat bagaimana ini berlaku. Mungkin maklumat di permukaan lubang hitam memperkenalkan pembetulan kuantum ke keadaan terma eksklusif radiasi Hawking? Mungkin, tetapi belum terbukti. Hari ini terdapat banyak penyelesaian hipotesis untuk paradoks ini, tetapi belum ada yang dapat disahkan.
Paradoks maklumat mengenai lubang hitam tidak bergantung pada apakah sifat alam semesta kuantum adalah deterministik atau bukan deterministik, yang mana interpretasi kuantum yang anda sukai, sama ada terdapat pemboleh ubah tersembunyi dan banyak aspek lain dari sifat realiti. Dan walaupun banyak penyelesaian yang dicadangkan merangkumi prinsip holografik, belum diketahui sama ada ia memainkan peranan dalam penyelesaian akhir paradoks.
Vladimir Guillen
