L'universo è un luogo sorprendente e strano pieno di fenomeni inspiegabili. Uno di questi fenomeni - il paradosso dell'informazione dei buchi neri - sembra violare una legge fondamentale della fisica.
L'orizzonte degli eventi di un buco nero è considerato l'ultima frontiera: una volta superato, nulla può lasciare il buco nero, nemmeno la luce. Ma questo si applica alle informazioni in quanto tali? Si perderà per sempre nel buco nero come tutto il resto?
Prima di tutto, dobbiamo capire che il paradosso informativo dei buchi neri non è correlato a come siamo abituati a percepire le informazioni. Quando pensiamo alle parole stampate in un libro, al numero di bit e byte in un file di computer, o alle configurazioni e alle proprietà quantistiche delle particelle che compongono un sistema, pensiamo alle informazioni come l'insieme completo di tutto ciò di cui abbiamo bisogno per ricreare qualcosa da zero.
Tuttavia, questa definizione tradizionale di informazione non è una proprietà fisica diretta che può essere misurata o calcolata, come, ad esempio, può essere eseguita con la temperatura. Fortunatamente per noi, esiste una proprietà fisica che possiamo definire equivalente all'informazione: l'entropia. Piuttosto che pensare all'entropia come a una misura del disordine, dovrebbe essere pensata come l'informazione "mancante" necessaria per determinare il microstato specifico di un sistema.
Quando un buco nero assorbe massa, la quantità di entropia di una sostanza è determinata dalle sue proprietà fisiche. Tuttavia, all'interno di un buco nero, contano solo proprietà come massa, carica e momento angolare. Per la conservazione della seconda legge della termodinamica, questo presenta un serio problema / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Quando un buco nero assorbe massa, la quantità di entropia della materia è determinata dalle sue proprietà fisiche. Tuttavia, all'interno di un buco nero, contano solo proprietà come massa, carica e momento angolare. Ciò rappresenta un serio problema per la conservazione della seconda legge della termodinamica.
Ci sono alcune regole nell'universo che l'entropia deve seguire. La seconda legge della termodinamica può essere definita la più indistruttibile di tutte: prendi qualsiasi sistema, non lasciare che nulla entri o esca da esso - e la sua entropia non diminuirà mai improvvisamente.
Un uovo rotto non si raccoglie nel suo guscio, l'acqua calda non si separa mai in parti calde e fredde e la cenere non si raccoglie mai nella forma dell'oggetto che era prima di essere bruciata. Tutto questo sarebbe un esempio di diminuzione dell'entropia, e ovviamente nulla di simile accade in natura da solo. L'entropia può rimanere la stessa e aumentare nella maggior parte delle circostanze, ma non può mai tornare a uno stato inferiore.
L'unico modo per ridurre artificialmente l'entropia è introdurre energia nel sistema, "ingannando" così la seconda legge della termodinamica, aumentando l'entropia esterna a questo sistema di un valore maggiore di quello che diminuisce in questo sistema. La pulizia della casa è un ottimo esempio. In altre parole, non puoi sbarazzarti dell'entropia.
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Allora cosa succede quando un buco nero si nutre di materia? Immaginiamo di lanciare un libro in un buco nero. Le uniche proprietà che possiamo attribuire a un buco nero sono piuttosto banali: massa, carica e momento angolare. Il libro contiene informazioni, ma quando lo lanci in un buco nero, aumenta solo la sua massa. Inizialmente, quando gli scienziati hanno iniziato a studiare questo problema, si credeva che l'entropia di un buco nero fosse zero. Ma se così fosse, inserire qualcosa in un buco nero violerebbe sempre la seconda legge della termodinamica. Il che, ovviamente, è impossibile.
La massa di un buco nero è l'unico fattore determinante nel raggio dell'orizzonte degli eventi per un buco nero isolato e non rotante. Per molto tempo si è creduto che i buchi neri fossero oggetti statici nello spazio-tempo dell'universo.
Ma come si calcola l'entropia di un buco nero?
Questa idea può essere fatta risalire a John Wheeler, pensando a cosa succede a un oggetto quando cade in un buco nero dalla prospettiva di un osservatore lontano dall'orizzonte degli eventi. Da grande distanza ci sembrerebbe che una persona che cade in un buco nero si avvicini asintoticamente all'orizzonte degli eventi, arrossendo sempre di più per il redshift gravitazionale e spostandosi infinitamente verso l'orizzonte per effetto della dilatazione temporale relativistica. Pertanto, le informazioni provenienti da qualcosa che è caduto in un buco nero rimarrebbero "crittografate" sulla sua superficie.
Questo risolve il problema in modo elegante e sembra ragionevole. Quando qualcosa cade in un buco nero, la sua massa aumenta. Con l'aumentare della massa, aumenta anche il suo raggio, e quindi la superficie. Maggiore è la superficie, più informazioni possono essere crittografate.
Ciò significa che l'entropia di un buco nero non è affatto zero, ma al contrario - enorme. Nonostante l'orizzonte degli eventi sia relativamente piccolo rispetto alle dimensioni dell'universo, la quantità di spazio richiesta per registrare un bit quantistico è piccola, il che significa che è possibile registrare quantità incredibili di informazioni sulla superficie di un buco nero. L'entropia aumenta, le informazioni vengono preservate e le leggi della termodinamica vengono preservate. Puoi disperderti, giusto?
Bit di informazione proporzionali alla superficie dell'orizzonte degli eventi possono essere codificati sulla superficie di un buco nero.
Non proprio. Il punto è che se i buchi neri hanno entropia, devono avere anche la temperatura. Come con qualsiasi altro oggetto con temperatura, le radiazioni dovrebbero provenire da loro.
Come ha dimostrato Stephen Hawking, i buchi neri emettono radiazioni in uno spettro specifico (lo spettro di un corpo nero) ea una temperatura specifica, determinata dalla massa del buco nero. Nel tempo, questa radiazione di energia porta alla perdita della sua massa da parte del buco nero, secondo la famosa equazione di Einstein: E = mc ^ 2. Se l'energia viene emessa, deve provenire da qualche parte e quel "da qualche parte" deve essere il buco nero stesso. Nel tempo, il buco nero perderà la sua massa sempre più velocemente, e ad un certo punto - in un lontano futuro - evaporerà completamente in un lampo di luce brillante.
Ma se un buco nero evapora nella radiazione del corpo nero, determinata solo dalla sua massa, cosa succede a tutte le informazioni e all'entropia registrate sul suo orizzonte degli eventi? Dopo tutto, non puoi semplicemente distruggere queste informazioni?
Questa è la radice del paradosso dell'informazione del buco nero. Il buco nero deve avere un'entropia elevata, che include tutte le informazioni su ciò che lo ha creato. Le informazioni sulla caduta di oggetti vengono registrate sulla superficie dell'orizzonte degli eventi. Ma quando un buco nero decade attraverso la radiazione di Hawking, l'orizzonte degli eventi scompare, lasciando dietro di sé solo la radiazione. Questa radiazione, come suggeriscono gli scienziati, dipende solo dalla massa del buco nero.
Immagina di avere due libri - sulle sciocchezze assolute e "Il conte di Montecristo" - contenenti diverse quantità di informazioni, ma identiche in massa. Li gettiamo in buchi neri identici, dai quali ci aspettiamo di ricevere una radiazione di Hawking equivalente. Per un osservatore esterno, sembra che le informazioni vengano distrutte e, dato ciò che sappiamo sull'entropia, ciò è impossibile, poiché violerebbe la seconda legge della termodinamica.
Se bruciamo questi due libri della stessa dimensione, le variazioni nella struttura molecolare, l'ordine delle lettere sulla carta e altre differenze minori conterrebbero informazioni che potrebbero aiutarci a ricostruire le informazioni nei libri. Potrebbe essere un completo disastro, ma non andrà da nessuna parte da solo. Tuttavia, il paradosso dell'informazione dei buchi neri è un vero problema. Una volta che il buco nero evapora, nessuna traccia di questa informazione primordiale rimane nell'universo osservabile.
Il decadimento simulato di un buco nero porta non solo all'emissione di radiazioni, ma anche al decadimento della massa rotante centrale, che mantiene stabile la maggior parte degli oggetti. I buchi neri sono oggetti non statici che cambiano nel tempo. Tuttavia, sugli orizzonti degli eventi, i buchi neri formati da materiali diversi dovrebbero conservare informazioni diverse.
Forse non c'è ancora una soluzione a questo paradosso e presenta un serio problema per la fisica. Tuttavia, ci sono due opzioni per la sua possibile soluzione:
1. Le informazioni vengono completamente distrutte durante l'evaporazione di un buco nero, il che significa che nuove leggi fisiche sono associate a questo processo.
2. La radiazione emessa contiene in qualche modo questa informazione, quindi, la radiazione di Hawking è qualcosa di più di quanto sia noto alla scienza.
La maggior parte delle persone che lavorano su questo problema crede che ci debba essere un modo in cui le informazioni immagazzinate sulla superficie di un buco nero vengono "impresse" nella radiazione in uscita. Tuttavia, nessuno sa esattamente come ciò avvenga. Forse le informazioni sulla superficie del buco nero introducono correzioni quantistiche allo stato esclusivamente termico della radiazione di Hawking? Forse, ma non è stato ancora dimostrato. Oggi ci sono molte soluzioni ipotetiche a questo paradosso, ma nessuna di esse è stata ancora confermata.
Il paradosso informativo dei buchi neri non dipende dal fatto che la natura dell'universo quantistico sia deterministica o non deterministica, quale interpretazione quantistica si preferisce, se ci sono variabili nascoste e molti altri aspetti della natura della realtà. E sebbene molte delle soluzioni proposte includano il principio olografico, non è ancora noto se abbia un ruolo nella soluzione finale del paradosso.
Vladimir Guillen
