Das Universum ist ein erstaunlicher und seltsamer Ort voller unerklärlicher Phänomene. Ein solches Phänomen, das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs, scheint gegen ein Grundgesetz der Physik zu verstoßen.
Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs gilt als letzte Grenze: Einmal dahinter kann nichts das Schwarze Loch verlassen, nicht einmal Licht. Aber gilt dies für Informationen als solche? Wird sie wie alles andere für immer im Schwarzen Loch verloren sein?
Zunächst müssen wir verstehen, dass das Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher nicht damit zusammenhängt, wie wir zur Wahrnehmung von Informationen verwendet werden. Wenn wir an die in einem Buch gedruckten Wörter, die Anzahl der Bits und Bytes in einer Computerdatei oder die Konfigurationen und Quanteneigenschaften der Partikel denken, aus denen ein System besteht, betrachten wir Informationen als den vollständigen Satz von allem, was wir brauchen, um etwas von Grund auf neu zu erstellen.
Diese traditionelle Definition von Informationen ist jedoch keine direkte physikalische Eigenschaft, die gemessen oder berechnet werden kann, wie dies beispielsweise bei der Temperatur der Fall ist. Zum Glück gibt es eine physikalische Eigenschaft, die wir als äquivalent zur Information definieren können - Entropie. Anstatt Entropie als Maß für Störung zu betrachten, sollte sie als "fehlende" Information betrachtet werden, die zur Bestimmung des spezifischen Mikrozustands eines Systems erforderlich ist.
Wenn ein Schwarzes Loch Masse absorbiert, wird die Entropiemenge einer Substanz durch ihre physikalischen Eigenschaften bestimmt. Innerhalb eines Schwarzen Lochs spielen jedoch nur Eigenschaften wie Masse, Ladung und Drehimpuls eine Rolle. Für die Erhaltung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik stellt dies ein ernstes Problem dar / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Wenn ein Schwarzes Loch Masse absorbiert, wird die Entropie der Materie durch ihre physikalischen Eigenschaften bestimmt. Innerhalb eines Schwarzen Lochs spielen jedoch nur Eigenschaften wie Masse, Ladung und Drehimpuls eine Rolle. Dies stellt ein ernstes Problem für die Erhaltung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik dar.
Es gibt bestimmte Regeln im Universum, denen die Entropie folgen muss. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann als der unzerstörbarste von allen bezeichnet werden: Nehmen Sie ein System, lassen Sie nichts in es eindringen oder es verlassen - und seine Entropie wird niemals plötzlich abnehmen.
Ein zerbrochenes Ei sammelt sich nicht in seiner Schale zurück, warmes Wasser trennt sich nie in heiße und kalte Teile und Asche sammelt sich nie in der Form des Objekts, das es vor dem Verbrennen war. All dies wäre ein Beispiel für eine abnehmende Entropie, und offensichtlich passiert nichts dergleichen in der Natur von selbst. Die Entropie kann unter den meisten Umständen gleich bleiben und zunehmen, aber niemals in einen niedrigeren Zustand zurückkehren.
Die einzige Möglichkeit, die Entropie künstlich zu reduzieren, besteht darin, Energie in das System einzuführen, wodurch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik "getäuscht" wird und die Entropie außerhalb dieses Systems um einen größeren Wert erhöht wird, als sie in diesem System abnimmt. Hausreinigung ist ein gutes Beispiel. Mit anderen Worten, Sie können die Entropie nicht loswerden.
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Was passiert also, wenn sich ein Schwarzes Loch von Materie ernährt? Stellen wir uns vor, wir werfen ein Buch in ein schwarzes Loch. Die einzigen Eigenschaften, die wir einem Schwarzen Loch zuschreiben können, sind eher banal: Masse, Ladung und Drehimpuls. Das Buch enthält Informationen, aber wenn Sie es in ein Schwarzes Loch werfen, erhöht es nur seine Masse. Als Wissenschaftler anfingen, dieses Problem zu untersuchen, glaubte man zunächst, dass die Entropie eines Schwarzen Lochs Null ist. Wenn dies jedoch der Fall wäre, würde es immer gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen, etwas in ein Schwarzes Loch zu bringen. Was natürlich unmöglich ist.
Die Masse eines Schwarzen Lochs ist der einzige bestimmende Faktor im Radius des Ereignishorizonts für ein nicht rotierendes, isoliertes Schwarzes Loch. Lange Zeit glaubte man, dass Schwarze Löcher statische Objekte in der Raumzeit des Universums sind.
Aber wie berechnet man die Entropie eines Schwarzen Lochs?
Diese Idee lässt sich auf John Wheeler zurückführen, der darüber nachdenkt, was mit einem Objekt passiert, wenn es aus der Perspektive eines Beobachters weit vom Ereignishorizont in ein Schwarzes Loch fällt. Aus großer Entfernung scheint es uns, dass sich eine Person, die in ein Schwarzes Loch fällt, asymptotisch dem Ereignishorizont nähert, aufgrund der Rotverschiebung der Gravitation immer roter wird und sich aufgrund des Effekts der relativistischen Zeitdilatation unendlich lange in Richtung Horizont bewegt. Somit würden Informationen von etwas, das in ein Schwarzes Loch gefallen ist, auf seiner Oberfläche „verschlüsselt“bleiben.
Dies löst das Problem elegant und klingt vernünftig. Wenn etwas in ein Schwarzes Loch fällt, nimmt seine Masse zu. Mit zunehmender Masse nimmt auch der Radius und damit die Oberfläche zu. Je größer die Oberfläche, desto mehr Informationen können verschlüsselt werden.
Dies bedeutet, dass die Entropie eines Schwarzen Lochs überhaupt nicht Null ist, sondern im Gegenteil - riesig. Trotz der Tatsache, dass der Ereignishorizont im Vergleich zur Größe des Universums relativ klein ist, ist der Platzbedarf für die Aufzeichnung eines Quantenbits gering, was bedeutet, dass unglaubliche Informationsmengen auf der Oberfläche eines Schwarzen Lochs aufgezeichnet werden können. Die Entropie nimmt zu, Informationen bleiben erhalten und die Gesetze der Thermodynamik bleiben erhalten. Du kannst dich zerstreuen, oder?
Informationsbits, die proportional zur Oberfläche des Ereignishorizonts sind, können auf der Oberfläche eines Schwarzen Lochs codiert werden.
Nicht wirklich. Der Punkt ist, wenn Schwarze Löcher Entropie haben, müssen sie auch Temperatur haben. Wie bei jedem anderen Objekt mit Temperatur sollte Strahlung von ihnen kommen.
Wie Stephen Hawking demonstrierte, emittieren Schwarze Löcher Strahlung in einem bestimmten Spektrum (dem Spektrum eines schwarzen Körpers) und bei einer bestimmten Temperatur, die durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt wird. Mit der Zeit führt diese Energiestrahlung nach der berühmten Einstein-Gleichung zum Verlust ihrer Masse durch das Schwarze Loch: E = mc ^ 2. Wenn Energie emittiert wird, muss sie von irgendwoher kommen, und dieses „irgendwo“muss das Schwarze Loch selbst sein. Mit der Zeit wird das Schwarze Loch immer schneller an Masse verlieren und irgendwann - in ferner Zukunft - in einem hellen Lichtblitz vollständig verdunsten.
Aber wenn ein Schwarzes Loch in Schwarzkörperstrahlung verdunstet, die nur durch seine Masse bestimmt wird, was passiert dann mit all den Informationen und der Entropie, die an seinem Ereignishorizont aufgezeichnet wurden? Sie können diese Informationen doch nicht einfach zerstören?
Dies ist die Wurzel des Informationsparadoxons des Schwarzen Lochs. Das Schwarze Loch muss eine hohe Entropie haben, die alle Informationen darüber enthält, was es erzeugt hat. Informationen über fallende Objekte werden auf der Oberfläche des Ereignishorizonts aufgezeichnet. Wenn jedoch ein Schwarzes Loch durch Hawking-Strahlung zerfällt, verschwindet der Ereignishorizont und hinterlässt nur Strahlung. Diese Strahlung hängt, wie Wissenschaftler vermuten, nur von der Masse des Schwarzen Lochs ab.
Stellen Sie sich vor, wir haben zwei Bücher - über absoluten Unsinn und "Der Graf von Monte Cristo" -, die unterschiedliche Informationsmengen enthalten, aber in ihrer Masse identisch sind. Wir werfen sie in identische Schwarze Löcher, von denen wir eine äquivalente Hawking-Strahlung erwarten. Für einen externen Beobachter sieht alles so aus, als würden Informationen zerstört, und angesichts dessen, was wir über Entropie wissen, ist dies unmöglich, da dies gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen würde.
Wenn wir diese beiden Bücher derselben Größe verbrennen, würden die Variationen in der Molekülstruktur, die Reihenfolge der Buchstaben auf dem Papier und andere geringfügige Unterschiede Informationen enthalten, die uns helfen könnten, die Informationen in den Büchern zu rekonstruieren. Es mag ein komplettes Durcheinander sein, aber es wird von alleine nirgendwo hingehen. Dennoch ist das Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher ein echtes Problem. Sobald das Schwarze Loch verdunstet ist, verbleibt keine Spur dieser ursprünglichen Information im beobachtbaren Universum.
Der simulierte Zerfall eines Schwarzen Lochs führt nicht nur zur Emission von Strahlung, sondern auch zum Zerfall der zentralen rotierenden Masse, wodurch die meisten Objekte stabil bleiben. Schwarze Löcher sind nicht statische Objekte, die sich im Laufe der Zeit ändern. In Ereignishorizonten sollten jedoch aus verschiedenen Materialien gebildete Schwarze Löcher unterschiedliche Informationen enthalten.
Vielleicht gibt es noch keine Lösung für dieses Paradoxon und es stellt ein ernstes Problem für die Physik dar. Dennoch gibt es zwei Möglichkeiten für die mögliche Lösung:
1. Informationen werden beim Verdampfen eines Schwarzen Lochs vollständig zerstört, was bedeutet, dass mit diesem Prozess neue physikalische Gesetze verbunden sind.
2. Die emittierte Strahlung enthält irgendwie diese Informationen, daher ist Hawking-Strahlung mehr als der Wissenschaft bekannt.
Die meisten Leute, die an diesem Problem arbeiten, glauben, dass es eine Möglichkeit geben muss, wie auf der Oberfläche eines Schwarzen Lochs gespeicherte Informationen in die ausgehende Strahlung "eingeprägt" werden. Niemand weiß jedoch genau, wie dies geschieht. Vielleicht führt die Information auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs zu Quantenkorrekturen des ausschließlich thermischen Zustands der Hawking-Strahlung? Vielleicht, aber es wurde noch nicht bewiesen. Heute gibt es viele hypothetische Lösungen für dieses Paradoxon, aber keine davon wurde bisher bestätigt.
Das Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher hängt nicht davon ab, ob die Natur des Quantenuniversums deterministisch oder nicht deterministisch ist, welche Quanteninterpretation Sie bevorzugen, ob es versteckte Variablen und viele andere Aspekte der Natur der Realität gibt. Und obwohl viele der vorgeschlagenen Lösungen das holographische Prinzip enthalten, ist noch nicht bekannt, ob es bei der endgültigen Lösung des Paradoxons eine Rolle spielt.
Vladimir Guillen
