Черные дыры - одни из самых экстремальных объектов во Вселенной, способных разрывать звезды на части и искажать пространство-время в мучительные формы. Но вы можете не знать об их наиболее крайних чертах; они, кажется, подрывают сами законы физики, какими мы их знаем. Добро пожаловать в информационный парадокс черной дыры, ужасное название одной из самых захватывающих загадок космологии.
Проблема заключается в том, как черные дыры поедают что-то и снова их отрыгивают. Кто бы мог подумать, что манеры за столом могут вызвать такую головоломку?
Итак, черные дыры поглощают материю Вселенной, от пылевых и газовых облаков до целых звездных систем. Эта материя уносится в сингулярность, что делает черную дыру все тяжелее и крупнее. Но черные дыры медленно теряют массу из-за довольно сложного квантового эффекта вокруг горизонта событий, который превращает массу черной дыры в однородное излучение, называемое излучением Хокинга. Черная дыра будет продолжать излучать это излучение, пока вся ее масса не испарится. Звучит просто, правда? Черные дыры поглощают все из нашей Вселенной и превращают ее в простую радиацию.
Проблема в том, что это упрощенное повествование ломает физику. Видите ли, черная дыра не просто поедает материю и извергает радиацию, она меняет энтропию. Этого не должно быть.
Энтропия — это мера того, насколько что-то хаотично. Хороший пример - чашка чая. Если вы вливаете молоко в чай медленно, оно не смешивается, а остается во взвешенном состоянии. Затем, когда вы его перемешаете, молоко смешивается и получается идеальная чашка чая (вы можете сказать, что я англичанин?). Когда вы помешиваете чай, вы увеличиваете его энтропию — это потому, что есть больше способов, которыми частицы могут быть организованы с добавлением молока, чем молоко отдельно. Энтропия всегда увеличивается, она не может уменьшаться. Это краеугольный камень физики.
Есть другой способ думать об энтропии, то есть, однажды созданная информация не может быть удалена. Итак, когда вы помешиваете чашку чая, движение ложки кодируется в движениях молока и чая. Итак, позже, если вы могли записать движения каждой молекулы, теоретически вы могли бы вычислить, как перемешивалась смесь.
Это понятие энтропии и не - нестираемой информации является ключом к тому, как физическим работам; это часть причинной связи, которую мы переживаем. Это наблюдаемый закон Вселенной, который кажется абсолютно верным. Все должно подчиняться этому правилу, иначе те рамки реальности, которые мы используем, не могут быть истинными.
Но черные дыры этого не делают. Они берут материю с большим количеством информации и высокой энтропией и превращают ее в монологи, низкую информацию, низкоэнтропийное излучение. Это похоже на перемешивание уже смешанной чашки чая и обнаружение, что молоко и чай разделены. Или как положить стиральную машину, и как только это будет сделано, вы обнаружите, что одежда аккуратно сложена на дне барабана. Короче говоря, это не просто ломает физику, это разрушает один из основополагающих принципов, на которых построена современная физика.
Так куда же денется информация, когда что-то попадает в черную дыру? Почему энтропия падает? Что ж, некоторые умники ломают голову и придумывают несколько возможных решений, а некоторые из них довольно диковинные! Давайте пройдемся по ним.
Физика неверна
Что, если парадокса нет, а черные дыры обращают энтропию и уничтожают информацию?
Что ж, это сделало бы наши текущие теории квантовой физики и, возможно, стандартную модель ошибочными, потому что для их работы необходимо сохранение информации. Но это может быть не конец света для физики.
В конце концов, когда приходят новые идеи и вытесняют все остальные теории из воды, обычно наступает новая эра физики. В конце концов, когда Эйнштейн выступил со своей общей теорией относительности, он переписал книгу о гравитации, сделав теоретически возможными такие вещи, как червоточины и путешествия во времени, и помог нам получить гораздо более точное представление о том, как устроен мир.
Итак, если физика ошибается, то какая революция может произойти? Мы не знаем, но очень приятно думать о возможностях совершенно новой структуры.
Детская Вселенная
Все эти следующие возможности включают в себя размещение информации где-нибудь или сохранение ее на будущее, чтобы гарантировать, что физика не нарушится. Безусловно, одной из самых странных из них является идея о том, что информация попадает в «маленькую Вселенную».
Это странный вопрос, чтобы осмыслить… Так что потерпите меня, потому что я могу звучать так, как будто я нахожусь в большом наркотическом путешествии. Идея состоит в том, что черные дыры образуют мосты Эйнштейна-Розена в меньшую, отдельную маленькую Вселенную, где хранится информация.
Итак, что такое на Земле мост Эйнштейна-Розена? Идея состоит в том, что черные дыры — это не просто глубокая вмятина в пространстве-времени, а мост между двумя отдельными местами. Проблема заключается в том, что мост, созданный между двумя местами, настолько тонкий, что материя не может пройти через него, потребуется огромное количество энергии и антигравитации, чтобы расширить его, чтобы вы могли протолкнуть что-то сквозь него.
Но вместо того, чтобы задняя дыра действовала как червоточина и мост переместился в другое место, младшая Вселенная вместо этого создала бы отдельную маленькую вселенную внутри черной дыры.
В то время как материя не может попасть в новую Вселенную, информация может. Таким образом, детская Вселенная действует как хранилище информации, а это означает, что может произойти увеличение энтропии и информация может быть сохранена.
Математика здесь подтверждается, по крайней мере, с некоторыми типами общей теории относительности. Таким образом, это, по крайней мере, теоретическая возможность того, что черные дыры создают маленькую детскую Вселенную, полную информации, которую они потребляют.
Некоторые расчеты предполагают, что материя может проходить сквозь нее, а это означает, что младенческая Вселенная может быть небольшой, но полноценной Вселенной, а это означает, что они могут быть неотличимы от нашей. Итак, как мы узнаем, находимся мы за пределами молодой Вселенной или внутри нее? Мы этого не делаем! Оказывается, мы могли жить внутри черной дыры!
Насколько это безумно?
Белая дыра
Что, если вместо того, чтобы создавать маленькую Вселенную, черные дыры — это просто кротовые норы, извергающие материал в другую часть нашей Вселенной? Эта идея известна как белая дыра, которая теоретически является противоположностью черной дыры.
Это означает, что информация, попадающая в черную дыру, извергается где-то еще во Вселенной в виде света с закодированной на нем информацией. Это означает, что энтропия может увеличиваться, а информация сохраняется.
Теперь физика белых дыр делает их странными объектами; в них нельзя упасть, но все же они обладают массой и гравитационным притяжением. Более того, не все черные дыры могут иметь двойника белой дыры. Некоторые теории предполагают, что это могут делать только сверхмассивные черные дыры, но ради этого мы примем, что все черные дыры могут быть аналогом белой дыры.
Вы можете подумать, что это звучит нелепо, мы обнаружили большое количество черных дыр, но не белых дыр, это просто теоретическая чепуха! Но держите лошадей.
Объект под названием GRB 060614 (гамма-всплеск) изначально считался большой звездой, которая вот-вот станет сверхновой и схлопнется в черную дыру. Однако она не превратилась в сверхновую, как должна была, и до сих пор излучает всевозможные странные энергии. Это может быть наш первый взгляд на белую дыру, так что, возможно, это не такая уж диковинная теория.
Утечка информации
Самая простая из всех этих идей заключается в том, что информация со временем утекает из черной дыры.
Ранее в статье мы рассмотрели излучение Хокинга, одну из величайших теорий покойного Стивенса Хокингса. Этот процесс берет материю черной дыры и медленно испаряет ее в виде излучения.
Как я уже говорил ранее, на излучении не должно быть закодированной информации. Но, если информация может храниться в черной дыре, тогда излучение Хокинга сможет узнать информацию и унести ее с собой во Вселенную. Это означало бы, что теперь законы физики должны быть нарушены.
Это кажется самой простой и наиболее реалистичной из всех идей, информация утекает из черной дыры медленно с течением времени, поскольку черная дыра медленно испаряется на протяжении тысячелетий. Но на самом деле, чтобы это произошло, должно произойти что-то особенно странное. Но об этом чуть позже.
Информационный взрыв
Если излучение Хокинга не сможет унести эту информацию с собой, то, возможно, оно вырвется из черной дыры и умрет через несколько триллионов лет. Это похоже на информационный взрыв!
По мере того, как излучение Хокинга испаряется из массы черной дыры, она становится все меньше и меньше. По мере того, как черная дыра становится меньше, скорость излучения Хокинга увеличивается экспоненциально. Таким образом, черные дыры меньшего размера испускают больше излучения Хокинга, чем большие. Но по мере того, как последние несколько кусочков черной дыры испаряются, мощность излучения Хокинга чрезвычайно возрастает, пока не произойдет взрыв, которого Вселенная никогда раньше не видела!
Механизм этого последнего взрыва мог позволить информации выйти наружу в момент умирания черной дыры. Однако это произойдет через триллионы триллионов лет, так что мы этого не увидим, а черной дыре все еще нужно как-то хранить всю эту информацию ...
Информационный кристалл
Последняя и, возможно, самая странная идея заключается в том, что после того, как черная дыра умерла, она может оставить после себя остаток, содержащий всю информацию, которую потребила черная дыра - n информационных кристаллов, если хотите.
Это, вероятно, наименее вероятное из всех решений, поскольку у нас нет математической модели, как это можно было бы сделать. Тем не менее, здорово думать, что конец Вселенной будет полон информационных кристаллов, плавающих в совершенно темном мире. Но опять же, информацию нужно как-то хранить.
Хранение информации
Чтобы черная дыра могла хранить информацию, она должна работать как голограмма ... Вся эта концепция безумна и заслуживает отдельной статьи, потому что мы на самом деле можем жить на поверхности черной дыры! Следите за этим.
Итак, черные дыры нарушают физику? Возможно, это не является чем-то необычным, что бросают вызов краеугольному камню физики и создают лучшую основу. Так наука делает огромные шаги вперед. Если черные дыры действительно сломают физику, это может стать одним из захватывающих открытий за последние десятилетия!
Но если они не нарушают физику, то это означает, что Вселенная немного страннее и прекраснее, чем мы думали раньше, с маленькими Вселенными или информационными кристаллами - какая прекрасная беспроигрышная ситуация.
Всех с наступающими праздниками!!!