Θεωρίες φυσικής

Η εντροπία μιας μαύρης τρύπας

Ένας εύκολος τρόπος για να καταλάβουμε τι γίνεται με την εντροπία της μαύρης τρύπας, είναι να θεωρήσουμε ότι η εντροπία παριστάνει την απώλεια της ελεύθερης ενέργειας – δηλαδή, την ενέργεια που είναι διαθέσιμη για να παράγει έργο – σε ένα σύστημα. Περιττό να πούμε, πως οτιδήποτε ρίχνετε μέσα σε μια μαύρη τρύπα δεν είναι πλέον διαθέσιμο να κάνει οποιοδήποτε έργο σε ολόκληρο τον Κόσμο.

Ένας εύκολος τρόπος για να καταλάβουμε τι γίνεται με την εντροπία της μαύρης τρύπας, είναι να θεωρήσουμε ότι η εντροπία παριστάνει την απώλεια της ελεύθερης ενέργειας – δηλαδή, την ενέργεια που είναι διαθέσιμη για να παράγει  έργο – σε ένα σύστημα. Περιττό να πούμε, πως οτιδήποτε ρίχνετε μέσα σε μια μαύρη τρύπα δεν είναι πλέον διαθέσιμο να κάνει οποιοδήποτε έργο σε ολόκληρο τον Κόσμο.

bhtorus

Οι περισσότεροι νομίζουν ότι ρίχνοντας ένα αντικείμενο μέσα στις μαύρες τρύπες τα πάντα εξαφανίζονται. Προφανώς δεν ξέρουν ότι μερικοί φυσικοί δεν φαίνεται να συμφωνούν με αυτή την ιδέα

Ο διάσημος δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής (που έχει σχέση με την εντροπία) αναφέρει ότι η θερμότητα δεν μπορεί να ρέει ελεύθερα από το ψυχρό προς το θερμό σώμα, όταν αυτά έρθουν σε επαφή  – ρέει μόνο αντίστροφα. Σαν αποτέλεσμα, κάθε απομονωμένο σύστημα έρχεται τελικά σε μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Ή αν θέλετε, η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος τείνει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου – φτάνοντας σε μια μέγιστη τιμή, όταν το εν λόγω σύστημα φτάσει στην κατάσταση της θερμικής ισορροπίας.

Η εντροπία μπορεί να εκφραστεί με μαθηματικό τρόπο, που μάλιστα τείνει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Στη δεκαετία του εβδομήντα, ο Jacob Bekenstein ανακάλυψε ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας – η οποία είναι συνώνυμη με το περιεχόμενο της πληροφορίας – είναι ανάλογη με την επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Αυτή είναι μια θεωρητική επιφάνεια που κρύβει μέσα της τη μαύρη τρύπα και σηματοδοτεί το σημείο μη επιστροφής για την ύλη ή το φως που πέφτει μέσα της. Οι θεωρητικοί έχουν δείξει ότι οι μικροσκοπικοί κβαντικοί κυματισμοί στον ορίζοντα γεγονότων μπορούν να κωδικοποιήσουν τις πληροφορίες μέσα από τη μαύρη τρύπα, οπότε δεν υπάρχει καμιά μυστηριώδης απώλεια πληροφορίας, καθώς η μαύρη τρύπα εξατμίζεται.

Η άποψη του ήταν ότι εάν μεταφέρετε ξαφνικά ένα σύστημα με γνωστή εντροπία πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, αυτή γίνεται μη μετρήσιμη – ως εάν η εντροπία του να εξαφανίζεται. Αυτό όμως παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής – δεδομένου ότι η εντροπία του συστήματος θα πρέπει στην καλύτερη περίπτωση να παραμείνει σταθερά – ή στην πιο συχνή περίπτωση να αυξηθεί – και δεν μπορεί ξαφνικά να πέφτει κατακόρυφα.

Αυτή η άποψη του Bekenstein μας δίνει μια βαθιά φυσική αντίληψη: Οι 3D πληροφορίες σχετικά με το άστρο που προϋπήρχε της μαύρης τρύπας, μπορούν να κωδικοποιηθούν πλήρως στον 2D ορίζοντα της μαύρης τρύπας που έγινε μετά – παρόμοια με την 3D εικόνα ενός αντικειμένου που είναι κωδικοποιημένη σε ένα ολόγραμμα 2D.

Συνεπώς, ο καλύτερος τρόπος για να χειριστούμε το θέμα αυτό είναι να αναγνωρίσουμε ότι ανεξάρτητα από την εντροπία που κατέχει ένα σύστημα, αυτή μεταφέρεται στη μαύρη τρύπα, όταν αυτό πέφτει μέσα της. Αυτός είναι ένας ακόμη λόγος για τον οποίο οι μαύρες τρύπες μπορεί να θεωρηθούν ότι έχουν μια πολύ υψηλή εντροπία.

Στη συνέχεια, ερχόμαστε στο θέμα της πληροφορίας. Γνωρίζουμε μια θεμελιώδης αρχή στην κβαντομηχανική η οποία προβλέπει ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν ή να χαθούν.

Όμως δεν παραβιάζεται η αρχή της διατήρησης της πληροφορίες γιατί αυτές απλά μεταφέρονται στη μαύρη τρύπα, αντί να χάνονται. Ακόμη κι αν τα αντικείμενα χάνονται για πάντα, οι πληροφορίες είναι ακόμα εκεί σε κάποια μορφή.

Αλλά, υπάρχει ένα πρόβλημα, εάν σε 10100 περίπου χρόνια, η μαύρη τρύπα εξατμιστεί μέσω της ακτινοβολίας Hawking, η οποία οφείλεται στις κβαντικές διακυμάνσεις στον ορίζοντα γεγονότων, ενώ δεν έχει καμία προφανή αιτιακή σχέση με το περιεχόμενο της μαύρης τρύπας.

HawkingRadiation Η ακτινοβολία Hawking: Μια κβαντική διακύμανση εγγύς του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας παράγει ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο. Το αντισωματίδιο εισέρχεται στη μαύρη τρύπα και βεβαίως εξαϋλώνεται όταν συγκρούεται εκεί με ένα σωματίδιο. Το άλλο όμως σωματίδιο είναι ελεύθερο να ενωθεί με το υπόλοιπο σύμπαν έξω από τον ορίζοντα γεγονότων. Για έναν εξωτερικό παρατηρητή, η μαύρη τρύπα φαίνεται να έχει χάσει βάρος και να εκπέμπει ένα σωματίδιο. Με την πάροδο του χρόνου αυτή η διαδικασία θα έχει ως αποτέλεσμα την εξάτμιση της μαύρης τρύπας. Μέχρι σήμερα μπορεί να είναι αυτή η ιστορία καλή, όμως τα αποδεικτικά στοιχεία είναι μηδέν, αλλά προσέξτε το παρακάτω.

Μια λύση που κερδίζει έδαφος στο πρόβλημα αυτό είναι η ολογραφική αρχή – πράγμα που σημαίνει πως ό,τι εισέρχεται στη μαύρη τρύπα αφήνει ένα αποτύπωμα στον ορίζοντα γεγονότων της – όπως οι πληροφορίες σχετικά με το περιεχόμενο της μαύρης τρύπας μπορεί να εξαχθούν από την «επιφάνεια» του ορίζοντα γεγονότων – καθώς και κάθε μεταγενέστερη ακτινοβολία Χόκινγκ επηρεάζεται σε ένα κβαντικό επίπεδο από αυτή την πληροφορία – τέτοιο που η ακτινοβολία Χόκινγκ πετυχαίνει να μεταφέρει την πληροφορία έξω από τη μαύρη τρύπα, καθώς εξατμίζεται η μαύρη τρύπα.

Ο Baocheng Zhang από το Πανεπιστήμιο του Cornell έχει μια άλλη προσέγγιση υποδεικνύοντας ότι η ακτινοβολία Χόκινγκ, μέσω της κβαντικής διάνοιξης σήραγγας, μεταφέρει την εντροπία έξω από τη μαύρη τρύπα – και δεδομένου ότι η μείωση της εντροπίας σημαίνει μείωση της αβεβαιότητας – αυτό σημαίνει μια καθαρή αύξηση της πληροφορίας που βγαίνει έξω από τη μαύρη τρύπα. Έτσι η ακτινοβολία Hawking μεταφέρει όχι μόνο εντροπία, αλλά και τις πληροφορίες από τη μαύρη τρύπα.

Ποιά άποψη είναι καλύτερη, δεν ξέρουμε.

Πάρτε και μια ιδέα από τα παρακάτω άρθρα:

About the author

physics4u

Απάντηση