Het universum is een verbazingwekkende en vreemde plek vol onverklaarbare verschijnselen. Een van die fenomenen, de informatieparadox van het zwarte gat, lijkt in strijd te zijn met een fundamentele natuurkundige wet.
De waarnemingshorizon van een zwart gat wordt beschouwd als de laatste grens: eenmaal daar voorbij kan niets het zwarte gat verlaten, zelfs geen licht. Maar geldt dit voor informatie als zodanig? Zal ze voor altijd verloren zijn in het zwarte gat zoals al het andere?
Allereerst moeten we begrijpen dat de informatieparadox van zwarte gaten niet gerelateerd is aan hoe we gewend zijn om informatie waar te nemen. Wanneer we denken aan de woorden die in een boek zijn gedrukt, het aantal bits en bytes in een computerbestand, of de configuraties en kwantumeigenschappen van de deeltjes waaruit een systeem bestaat, beschouwen we informatie als de complete set van alles wat we nodig hebben om alles helemaal opnieuw te creëren.
Deze traditionele definitie van informatie is echter geen directe fysieke eigenschap die kan worden gemeten of berekend, zoals bijvoorbeeld met temperatuur kan worden gedaan. Gelukkig voor ons is er een fysieke eigenschap die we kunnen definiëren als equivalent aan informatie-entropie. In plaats van entropie te beschouwen als een maatstaf voor wanorde, zou het moeten worden gezien als de "ontbrekende" informatie die nodig is om de specifieke microstaat van een systeem te bepalen.
Wanneer een zwart gat massa opneemt, wordt de hoeveelheid entropie van een stof bepaald door zijn fysische eigenschappen. In een zwart gat zijn echter alleen eigenschappen zoals massa, lading en impulsmoment van belang. Voor het behoud van de tweede wet van de thermodynamica vormt dit een ernstig probleem / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Wanneer een zwart gat massa absorbeert, wordt de hoeveelheid entropie van materie bepaald door zijn fysische eigenschappen. In een zwart gat zijn echter alleen eigenschappen zoals massa, lading en impulsmoment van belang. Dit vormt een ernstig probleem voor het behoud van de tweede wet van de thermodynamica.
Er zijn bepaalde regels in het universum waaraan entropie moet voldoen. De tweede wet van de thermodynamica kan de meest onverwoestbare van allemaal worden genoemd: neem een systeem, laat niets toe of verlaat het - en de entropie ervan zal nooit plotseling afnemen.
Een gebroken ei verzamelt zich niet terug in zijn schaal, warm water scheidt zich nooit in warme en koude delen, en as verzamelt zich nooit in de vorm van het voorwerp dat het was voordat het werd verbrand. Dit alles zou een voorbeeld zijn van afnemende entropie, en natuurlijk gebeurt zoiets niet vanzelf in de natuur. Entropie kan onder de meeste omstandigheden hetzelfde blijven en toenemen, maar het kan nooit terugkeren naar een lagere toestand.
De enige manier om de entropie kunstmatig te verminderen is door energie in het systeem te introduceren, waardoor de tweede wet van de thermodynamica wordt "misleid", waardoor de entropie buiten dit systeem met een grotere waarde wordt verhoogd dan in dit systeem afneemt. Huis schoonmaken is een goed voorbeeld. Met andere woorden, je kunt niet van entropie afkomen.
Promotie video:
Dus wat gebeurt er als een zwart gat zich voedt met materie? Laten we ons voorstellen dat we een boek in een zwart gat gooien. De enige eigenschappen die we aan een zwart gat kunnen toeschrijven zijn nogal alledaags: massa, lading en impulsmoment. Het boek bevat informatie, maar als je het in een zwart gat gooit, wordt het alleen maar groter. Aanvankelijk, toen wetenschappers dit probleem begonnen te bestuderen, werd aangenomen dat de entropie van een zwart gat nul is. Maar als dat het geval was, zou iets in een zwart gat krijgen altijd in strijd zijn met de tweede wet van de thermodynamica. Wat natuurlijk onmogelijk is.
De massa van een zwart gat is de enige bepalende factor in de straal van de waarnemingshorizon voor een niet-roterend, geïsoleerd zwart gat. Lange tijd werd aangenomen dat zwarte gaten statische objecten zijn in de ruimte-tijd van het universum.
Maar hoe bereken je de entropie van een zwart gat?
Dit idee is terug te voeren op John Wheeler, die zich afvroeg wat er met een object gebeurt als het in een zwart gat valt vanuit het perspectief van een waarnemer ver van de waarnemingshorizon. Van een grote afstand lijkt het ons dat een persoon die in een zwart gat valt asymptotisch de waarnemingshorizon nadert, steeds meer bloost vanwege de zwaartekracht roodverschuiving en oneindig lang naar de horizon beweegt vanwege het effect van relativistische tijddilatatie. Dus informatie van iets dat in een zwart gat viel, zou op het oppervlak "gecodeerd" blijven.
Dit lost het probleem elegant op en klinkt redelijk. Als iets in een zwart gat valt, neemt de massa toe. Met toenemende massa neemt ook de straal toe, en daarmee het oppervlak. Hoe groter het oppervlak, hoe meer informatie kan worden versleuteld.
Dit betekent dat de entropie van een zwart gat helemaal niet nul is, maar juist enorm. Ondanks het feit dat de waarnemingshorizon relatief klein is in vergelijking met de grootte van het heelal, is de hoeveelheid ruimte die nodig is om één kwantumbit op te nemen klein, wat betekent dat er ongelooflijke hoeveelheden informatie kunnen worden vastgelegd op het oppervlak van een zwart gat. Entropie neemt toe, informatie blijft behouden en de wetten van de thermodynamica blijven behouden. Je kunt je toch verspreiden?
Stukjes informatie die evenredig zijn met het oppervlak van de waarnemingshorizon, kunnen worden gecodeerd op het oppervlak van een zwart gat.
Niet echt. Het punt is dat als zwarte gaten entropie hebben, ze ook temperatuur moeten hebben. Zoals bij elk ander object met temperatuur, moet er straling van komen.
Zoals Stephen Hawking aantoonde, zenden zwarte gaten straling uit in een specifiek spectrum (het spectrum van een zwart lichaam) en bij een specifieke temperatuur, bepaald door de massa van het zwarte gat. Na verloop van tijd leidt deze straling van energie tot het verlies van zijn massa door het zwarte gat, volgens de beroemde Einstein-vergelijking: E = mc ^ 2. Als energie wordt uitgezonden, moet het ergens vandaan komen, en dat "ergens" moet het zwarte gat zelf zijn. Na verloop van tijd zal het zwarte gat zijn massa steeds sneller verliezen en op een gegeven moment - in de verre toekomst - zal het volledig verdampen in een felle lichtflits.
Maar als een zwart gat verdampt in de straling van het zwarte lichaam, alleen bepaald door zijn massa, wat gebeurt er dan met alle informatie en entropie die op zijn waarnemingshorizon is vastgelegd? Je kunt deze informatie immers niet zomaar vernietigen?
Dit is de wortel van de informatieparadox van het zwarte gat. Het zwarte gat moet een hoge entropie hebben, die alle informatie bevat over wat het heeft gemaakt. Informatie over vallende objecten wordt geregistreerd op het oppervlak van de waarnemingshorizon. Maar wanneer een zwart gat vervalt door Hawking-straling, verdwijnt de waarnemingshorizon en blijft alleen straling achter. Deze straling hangt, zoals wetenschappers suggereren, alleen af van de massa van het zwarte gat.
Stel je voor dat we twee boeken hebben - over absolute onzin en "The Count of Monte Cristo" - met verschillende hoeveelheden informatie, maar identiek in massa. We gooien ze in identieke zwarte gaten, waarvan we verwachten gelijkwaardige Hawking-straling te ontvangen. Voor een externe waarnemer ziet alles eruit alsof informatie wordt vernietigd, en gezien wat we weten over entropie, is dit onmogelijk, omdat het de tweede wet van de thermodynamica zou schenden.
Als we deze twee boeken van dezelfde grootte verbranden, zouden de variaties in moleculaire structuur, de volgorde van de letters op het papier en andere kleine verschillen informatie bevatten die ons zou kunnen helpen de informatie in de boeken te reconstrueren. Het is misschien een complete puinhoop, maar op zichzelf gaat het nergens heen. Desalniettemin is de informatieparadox van zwarte gaten een reëel probleem. Zodra het zwarte gat is verdampt, blijft er geen spoor van deze oerinformatie in het waarneembare universum.
Het gesimuleerde verval van een zwart gat leidt niet alleen tot de emissie van straling, maar ook tot het verval van de centrale roterende massa, waardoor de meeste objecten stabiel blijven. Zwarte gaten zijn niet-statische objecten die in de loop van de tijd veranderen. Op de horizon van evenementen zouden zwarte gaten die uit verschillende materialen zijn gevormd, echter verschillende informatie moeten bevatten.
Misschien is er nog geen oplossing voor deze paradox en vormt het een serieus probleem voor de natuurkunde. Niettemin zijn er twee opties voor de mogelijke oplossing:
1. Informatie wordt volledig vernietigd tijdens het verdampen van een zwart gat, wat betekent dat er nieuwe natuurkundige wetten aan verbonden zijn.
2. De uitgezonden straling bevat op de een of andere manier deze informatie, daarom is Hawking-straling iets meer dan de wetenschap bekend is.
De meeste mensen die aan dit probleem werken, geloven dat er een manier moet zijn waarop informatie die is opgeslagen op het oppervlak van een zwart gat, wordt "geprint" in de uitgaande straling. Niemand weet echter precies hoe dit gebeurt. Misschien introduceert de informatie op het oppervlak van het zwarte gat kwantumcorrecties op de uitsluitend thermische toestand van Hawking-straling? Misschien, maar het is nog niet bewezen. Tegenwoordig zijn er veel hypothetische oplossingen voor deze paradox, maar geen van deze is nog bevestigd.
De informatieparadox van zwarte gaten hangt niet af van het feit of de aard van het kwantumuniversum deterministisch of niet-deterministisch is, welke kwantuminterpretatie je voorkeur heeft, of er verborgen variabelen zijn en veel andere aspecten van de aard van de werkelijkheid. En hoewel veel van de voorgestelde oplossingen het holografische principe bevatten, is het nog niet bekend of het een rol speelt bij de uiteindelijke oplossing van de paradox.
Vladimir Guillen
