Zwarte gaten kunnen geen informatie sturen over wat ze inslikken – en dat is een probleem

Drie cijfers.

Slechts drie cijfers – dat is alles wat nodig is om een ​​zwart gat volledig en 100% ondubbelzinnig te beschrijven in de algemene relativiteitstheorie. Als ik je de massa, elektrische lading en spin (d.w.z. impulsmoment) van een zwart gat vertel, zijn we klaar. Dat is alles wat we erover zullen weten en alles wat we nodig hebben om de kenmerken ervan te beschrijven.

Met deze drie getallen kunnen we alles berekenen over hoe het zwarte gat interageert met zijn omgeving, hoe de objecten eromheen erop zullen reageren en hoe het zwarte gat zich in de toekomst zal ontwikkelen.

Ondanks al hun krachtige zwaartekracht en hun onheilige buitenaardse karakter, zijn zwarte gaten verrassend eenvoudig. Als ik je twee zwarte gaten zou geven met precies dezelfde massa, lading en spin, zou je ze niet uit elkaar kunnen houden. Als je van plaats wisselt zonder te kijken, weet je niet dat ik dat gedaan heb.

Het betekent ook dat wanneer je een volledig gevormd zwart gat ziet, je geen idee hebt waarom het gevormd is. Elke combinatie van compacte massa in een voldoende klein volume kan het werk doen. Het zou de superdichte kern van een stervende ster kunnen zijn. Het zou een heel dik nest van schattige katten zijn geweest dat in de vergetelheid was verpletterd.

Zolang massa, lading en rotatie hetzelfde zijn, is geschiedenis irrelevant. Er is geen informatie over het oorspronkelijke materiaal dat het zwarte gat heeft gecreëerd. Of is het?

Handvesten opstellen

“Informatie” is een enigszins beladen term; Ze kunnen verschillende definities aannemen, afhankelijk van aan wie je het vraagt ​​en in welke stemming ze zijn. In de natuurkunde hangt het concept van informatie nauw samen met ons begrip van hoe fysieke systemen zich ontwikkelen en hoe we onze theorieën in de natuurkunde construeren.

We denken graag dat natuurkunde een relatief bruikbaar model is om het universum waarin we leven te begrijpen. Een van de manieren waarop natuurkunde profiteert, is het vermogen om te voorspellen. Als ik je een lijst geef van alle informatie over een systeem, zou ik in staat moeten zijn om de wetten en theorieën van de natuurkunde toe te passen om je te vertellen hoe dat systeem zich zal ontwikkelen. En het tegenovergestelde is ook waar. Als ik je nu de staat van het systeem vertel, kun je alle wiskunde terugdraaien om te zien hoe het systeem in zijn huidige staat is gekomen.

Deze twee concepten staan ​​bekend als: onvermijdelijkheid (Ik kan de toekomst voorspellen) en reflectie (Ik kan het verleden lezen) En het is zo’n beetje de fundamentele kern van de natuurkunde. Als onze natuurkundige theorieën deze eigenschappen niet hadden, zouden we niet veel werk kunnen verzetten.

Deze twee concepten zijn ook van toepassing op de kwantummechanica. Ja, de kwantummechanica stelt strikte limieten aan wat we kunnen meten over het universum, maar dat betekent niet dat alle weddenschappen zijn uitgeschakeld. In plaats daarvan kunnen we eenvoudig een goed gedefinieerde klassieke toestand vervangen door een meer vage kwantumtoestand en verder gaan met ons leven; De kwantumtoestand evolueert volgens de Schrödinger-vergelijking, die zowel determinisme als omkeerbaarheid ondersteunt, dus we zijn allemaal goed.

Bij het branden van een boek gaat geen informatie verloren; Het is gewoon een mengsel.

Deze dubbele klap van determinisme en omkeerbaarheid betekent dat, in termen van fysica, informatie tijdens elk proces moet worden bewaard. Het kan niet worden gemaakt of vernietigd – Als we informatie afzonderlijk toevoegen of verwijderen, kunnen we de toekomst niet voorspellen of het verleden lezen. Elk verlies of winst betekent dat er ofwel ontbrekende informatie of extra informatie zal zijn, dus alle natuurkunde zal tot stof vergaan.

Er zijn veel processen die Hij verschijnt Om informatie te vernietigen, maar dat is alleen omdat we niet zorgvuldig genoeg volgen. Neem bijvoorbeeld het verbranden van een boek. Als ik je een hoop as geef, lijkt dit onomkeerbaar: je kunt het boek op geen enkele manier weer in elkaar zetten. Maar als je een krachtig genoeg microscoop tot je beschikking hebt (en veel geduld) en je moet me in de gaten houden terwijl het boek brandt, kun je – in principe tenminste, wat goed genoeg is – het uurwerk bekijken en volgen van elk molecuul in het proces. Je kunt dan al die bewegingen en al die interacties omkeren om het boek opnieuw op te bouwen. Bij het branden van een boek gaat geen informatie verloren; Het is gewoon een mengsel.

In de klassieke, traditionele kijk op zwarte gaten is al dit informatiegerelateerde werk geen enkel probleem. De informatie die werd gebruikt om het zwarte gat te bouwen, is eenvoudig ver achter de waarnemingshorizon verborgen – de eenrichtingsgrens op het oppervlak van het zwarte gat die het zo uniek maakt. Eenmaal daar zal de informatie in dit universum nooit meer worden gezien. Of het nu gaat om een ​​zwart gat gevormd door stervende sterren of verpletterde katten, het gebeurt niet praktisch kwestie. De informatie mag niet worden vernietigd, maar is permanent verborgen voor nieuwsgierige blikken.