Qora tuynuk voqea ufqidan tashqarida, Umumiy nisbiylik va kvant maydoni nazariyasi nima sodir bo'lishini fizikasini tushunish uchun etarli darajada; bu Xoking radiatsiyasi. Ammo bu ikkalasining kombinatsiyasi hanuzgacha hal qilinmagan axborot paradoksiga olib keladi. (NASA)

"Qora tuynuk" haqidagi ma'lumot paradoksi, Stiven Xokingning eng buyuk jumbog'i, hali ham hal qilinmagan

Paradoks bu Xokingning o'zi ko'p marotaba yechimini topishini da'vo qilgan, ammo takliflarning hech biri sinchkovlik bilan o'rganilmagan. Paradoks hali ham hal qilinmagan.

Stiven Xokingning vafoti bilan fan nafaqat taniqli jamoat arbobini, balki qora tuynuklar tabiati bo'yicha ajoyib tadqiqotchini ham yo'qotdi. Uning yakuniy ishi bugungi kunda kosmologiyada duch kelayotgan ba'zi mavjud muammolarga ko'proq e'tibor bergan bo'lishi mumkin bo'lsa-da, uning eng katta ilmiy hissasi koinotning eng ekstremal ob'ektlarini o'rganish orqali koinot haqidagi ba'zi g'aroyib kvant haqiqatlarni ochishda edi. Bir vaqtlar statik, o'zgarmas deb o'ylagan va faqat massasi, zaryadlanishi va aylanishi bilan aniqlanadigan qora tuynuklar uning ishi orqali doimiy o'zgaruvchan dvigatellarga aylantirildi, ular haroratga ega, radiatsiya chiqaradigan va vaqt o'tishi bilan bug'lanib ketgan. Xoking nurlanishining mavjudligi va xususiyatlariga tegishli bo'lgan bu ilmiy xulosa juda katta ahamiyatga ega edi: qora tuynuklar olam haqidagi ma'lumotni yo'q qilishga yo'l ochib berdi. Dunyoning eng yorqin onglari tomonidan ushbu muammo ustida 40 yildan ko'proq vaqt ishlashiga qaramay, qora tuynuk haqida ma'lumot paradoksi haligacha hal qilinmayapti.

Agar massa qora tuynuk bilan yutib yuborilsa, materiya tarkibidagi entropiya miqdori uning fizik xususiyatlari bilan belgilanadi. Ammo qora tuynuk ichida faqat massa, zaryad va burchak momentum materiya kabi xususiyatlar mavjud. Agar termodinamikaning ikkinchi qonuni haqiqatda qolishi kerak bo'lsa, bu katta bir to'siq tug'diradi. Rasm: (NASA / CXC / M. Weiss; X-ray (yuqori): NASA / CXC / MPE / S.Komossa va boshqalar (L); Optik: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Termodinamikaning ikkinchi qonuni - bu olamning buzilmas qoidalaridan biridir: o'zingiz xohlagan tizimni oling, unga biror narsa kirishiga yoki kirishiga yo'l qo'ymang va uning entropiyasi hech qachon o'z-o'zidan pasaymaydi. Tuxum o'z-o'zidan yiqilib ketmaydi, iliq suv hech qachon issiq va sovuq qismlarga bo'linmaydi va kul kuyib ketishidan oldin bo'lgan narsaning shakliga kirmaydi. Bularning barchasi entropiyaning pasayishiga misol bo'lishi mumkin va bu tabiatan o'z-o'zidan bo'lmaydi. Entropiya o'zgarishi mumkin; ko'p holatlarda u ko'payadi; ammo u hech qachon pastki-entropiya holatiga qaytolmaydi. Aslida, entropiyani sun'iy ravishda pasaytirishning yagona usuli bu tizimga energiyani nasos orqali etkazib berish, ikkinchi qonunni tizimga tashqi entropiyani tizimdagi pasayishdan ko'ra ko'proq hajmga oshirish orqali "aldash". (Uyingizni tozalash bu kabi misollardan biridir.) Oddiy qilib aytganda, entropiyani hech qachon yo'q qilib bo'lmaydi.

Qora tuynukning massasi aylanmaydigan, izolyatsiya qilingan qora tuynuk uchun hodisa gorizontining radiusini belgilovchi omildir. Uzoq vaqt davomida koinotning kosmosidagi qora tuynuklar statik jismlar deb o'ylagan. (SXS jamoasi; Bohn va boshqalar 2015)

Qora tuynuklar uchun, ular uzoq vaqt davomida nol entropiyaga ega bo'lish haqida o'yladilar, ammo bu to'g'ri emas. Agar siz qora tuynuklarni chiqargan materiya nolga teng bo'lmagan entropiyaga ega bo'lsa, unda bu materialni qora tuynukka tashlash orqali entropiya yuqoriga ko'tarilishi yoki qolishi kerak edi; u hech qachon tusholmaydi. Qora tuynukning entropiyasi g'oyasi voqea ufqining tashqarisidagi kuzatuvchi nuqtai nazaridan qora tuynukka tushib qolganda ob'ekt bilan nima sodir bo'lishi haqida o'ylayotgan Jon Uilerga borib taqaladi. Uzoqdan, kimdir tushgan bo'lsa, relefistik vaqtning kengayishi ta'sir qilgani sababli, tortishish tezligi tufayli qizg'ish va qizilga aylanib, ufqqa yaqinlashayotgan odam voqea gorizontiga yaqinlashgandek tuyuladi. Shunday qilib, tushgan ma'lumotlar qora tuynukning sirt qismida kodlanganga o'xshaydi.

Qora tuynuk yuzasida kodlangan hodisa ufqining yuzasi maydoniga mutanosib ravishda bitlarning ma'lumotlari bo'lishi mumkin. (TB Bakker / Doktor JP van der Schaar, Amsterdam universiteti)

Qora tuynukning massasi uning voqea ufqining hajmini aniqlaganligi sababli, bu qora tuynukning entropiyasi uchun tabiiy joyni berdi: hodisa gorizontining yuzasida. To'satdan, qora tuynuklar ma'lum bir o'lchamdagi voqealar ufqiga kodlanishi mumkin bo'lgan kvant soniga asoslangan ulkan entropiyaga ega edi. Ammo entropiyaga ega bo'lgan har qanday narsa haroratga ega, demak u nurlanadi. Xoking mashhur namoyish etganidek, qora tuynuk u kelib chiqadigan qora tuynukning massasi bilan aniqlanadigan ma'lum bir (qora tanlilar) spektri va haroratini chiqaradi. Vaqt o'tishi bilan, energiya chiqishi Eynshteynning mashhur E = mc2 tufayli qora tuynuk massasini yo'qotishini anglatadi; agar energiya chiqarilsa, u biron bir joydan kelib chiqishi kerak va bu "biron bir joyda" qora tuynuk bo'lishi kerak. Vaqt o'tishi bilan qora tuynuk massani tezroq va tezroq yo'qotadi, kelajakda porloq yorug'lik paydo bo'lgunga qadar u butunlay bug'lanadi.

Doimiy zulmatning zohiriy fonida birgina chiroq yonadi: Olamdagi so'nggi qora tuynuk bug'lanadi. (ortega-rasmlar / pikabay)

Bu juda yaxshi hikoya, ammo muammo bor. U chiqaradigan nurlanish shunchaki qora tanli bo'lib, demak u xuddi qora jismni olib, ma'lum bir haroratgacha qizdirgandek xususiyatlarga ega. Shunday qilib, nurlanish ma'lum bir massaning barcha qora tuynuklari uchun bir xil - va bu hodisa gorizontida qanday ma'lumot mavjudligi yoki yozib olinmasligidan qat'i nazar, bu zarba.

Termodinamika qonunlariga ko'ra, bunday bo'lishi mumkin emas! Bu ma'lumotni yo'q qilish bilan barobar va ayniqsa, taqiqlangan narsalar.

Yonayotgan har qanday narsa yo'q bo'lib ketishi mumkin, ammo agar biz olovdan chiqayotgan barcha narsalarni kuzatib borsak, avvalgi holati haqida hamma narsa tiklanadi. (Jamoat mulki)

Agar siz ikkita bir xil o'lchamdagi kitoblarni juda turli xil mazmunda yoqsangiz, siz ikkala kitobning matnini qayta tiklay olmasligingiz mumkin, ammo qog'ozdagi siyoh naqshlari, molekulyar tuzilishlarning o'zgarishi va boshqa daqiqalardagi farqlar barcha ma'lumotlarni o'z ichiga oladi va tutun, kul, atrofdagi havo va boshqa barcha zarralarda kodlangan ma'lumot qoladi. Agar siz atrof-muhitni va kitoblarni o'zboshimchalik bilan aniqlik bilan kuzatib bora olsangiz, o'zingiz xohlagan barcha ma'lumotlarni qayta tiklay olasiz; u chayqalib ketgan, ammo yo'qolmagan.

Qora tuynuk haqida ma'lumot paradoksi shundan iboratki, qora tuynuk voqea ufqida aks etgan barcha ma'lumotlar, bug'lanib ketgach, bizning kuzatiladigan olamimizda hech qanday iz qoldirmadi.

Qora tuynukning simulyatsiya qilingan parchalanishi nafaqat nurlanishning tarqalishiga, balki ko'p jismlarni barqaror ushlab turuvchi markaziy orbitali massaning parchalanishiga olib keladi. Qora tuynuklar statik narsalar emas, balki vaqt o'tishi bilan o'zgaradi. Shu bilan birga, turli xil materiallardan hosil bo'lgan qora tuynuklar ularning voqealar ufqlarida turli xil kodlangan ma'lumotlarga ega bo'lishi kerak.

Ushbu ma'lumotlarning yo'qolishi kvant mexanikasi qoidalarida taqiqlanishi kerak. Har qanday tizimni kvant to'lqin funktsiyasi bilan tavsiflash mumkin va har bir to'lqin funktsiyasi noyobdir. Agar siz kvant sistemangizni o'z vaqtida rivojlantirsangiz, ikkita xil tizim bir xil yakuniy holatga kelishi mumkinligi haqida hech qanday yo'l yo'q, ammo bu ma'lumot paradoksining ma'nosini anglatadi. Bizning tushunishimizcha, ikkita narsadan biri sodir bo'lishi kerak:

  1. Qora tuynuk bug'lanib ketganda, yoki axborot qandaydir tarzda yo'q qilinadi, bizga qora tuynuk bug'lanishi uchun yangi qoidalar va qonunlar mavjudligini o'rgatadi,
  2. Yoki qandaydir tarzda chiqaradigan nurlanish bu ma'lumotni o'z ichiga oladi, ya'ni biz hozirgacha qilgan hisob-kitoblarga qaraganda, Xoking radiatsiyasi ko'proq.

Bu paradoks, birinchi marta sezilganidan qirq yildan ko'proq vaqt o'tgach, hali ham hal qilinmagan.

Butun fazoda o'tadigan kvant tebranishlarining tasviri. Agar ushbu tebranishlar qandaydir tarzda qora tuynukdan chiqayotgan Hawking radiatsiyasiga tushirilgan bo'lsa, ehtimol voqealar gorizontida kodlangan ma'lumotlar saqlanib qolishi mumkin. (NASA / CXC / M. Weiss)

Xokingning dastlabki hisob-kitoblari shuni ko'rsatadiki, Xoking radiatsiyasi orqali bug'lanish qora tuynukning voqea ufqida har qanday ma'lumotni yo'q qiladi, ammo zamonaviy fikr bu ma'lumotni chiqayotgan nurlanishda kodlash uchun biron bir narsa bo'lishi kerak, degan fikrga keladi. Ko'plab fiziklar golografik printsipga murojaat qilishadi, qora tuynuk yuzasida kodlangan ma'lumotlar qora tuynuk bug'lanib, hodisa ufqlari qisqarganda radiatsiyada o'zlarini aks ettirib, toza termik Hawking radiatsiya holatiga kvant tuzatish kiritilishini qo'llashadi. Xoking, Djon Preskill, Kip Torn, Jerar Xuft va Leonard Susskind ushbu muammoni hal qilishda g'alaba va mag'lubiyatni e'lon qilishganiga qaramay, paradoks juda tirik va hal qilinmayapti, boshqasidan tashqari ko'plab faraz qilingan echimlar. bu erda taqdim etilgan.

Qora tuynukning voqealar gorizonti - sharsimon yoki sharsimon mintaqa, undan hech narsa, hatto yorug'lik ham qochib qutula olmaydi. Ammo voqea ufqidan tashqarida qora tuynuk radiatsiya chiqarishi taxmin qilinmoqda. Xokingning 1974 yildagi ishi buni birinchi bo'lib namoyish etdi va bu shubhasiz uning eng katta ilmiy yutug'i edi. (NASA; Djörn Vilms (Tyubingen) va boshqalar; ESA)

Qanchalik urinishimizga qaramay, biz ma'lumotni energiya (va massa) tarqalganda qora tuynukdan chiqib ketadimi yoki yo'qligini hali ham tushunmaymiz. Agar ma'lumot tarqalib ketsa, bu ma'lumot qanday qilib tarqalishi va Xokingning dastlabki hisob-kitoblari qachon yoki qaerda buzilishi noma'lum. Xokingning o'zi, bundan o'n yil oldin bahsni rad qilganiga qaramay, ushbu mavzuni faol ravishda nashr qilishni davom ettirdi va ko'pincha u nihoyat paradoksni hal qilganligini e'lon qildi. Ammo paradoks hal qilinmay, aniq echimsiz qolmoqda. Ehtimol, bu ilm-fan yutuqlariga erisha oladigan eng katta meros: yangi muammoni shu qadar kashf etish kerakki, uni hal etish uchun bir necha avlod kerak bo'ladi. Ushbu vaziyatda, ko'pchilik echim qanday ko'rinishda bo'lishiga rozi bo'ladi, ammo hech kim u erga qanday borishni bilmaydi. Biz buni qilmagunimizcha, u Xokingning dunyo bilan taqqoslagan beqiyos va g'ayritabiiy sovg'alarining yana bir qismi bo'lib qoladi.

Portlash bilan boshlanadi, endi Forbesda va Patreon tarafdorlari tufayli O'rta nashrda qayta nashr etiladi. Ethan "Galaktikadan tashqari" va "Treknologiya" nomli ikkita kitobning muallifi: Tricorders dan Warp Drive-ga qadar Star Trek haqidagi fan.