블랙홀의 사건 지평 밖에서, 일반 상대성 이론과 양자 장 이론은 발생하는 물리학을 이해하기에 충분합니다. 그것이 호킹 방사선입니다. 그러나이 두 가지의 조합조차도 아직 해결되지 않은 정보 역설로 이어집니다. (NASA)

Stephen Hawking의 가장 큰 퍼즐 인 Black Hole Information Paradox는 여전히 해결되지 않았습니다.

역설은 호킹 자신이 여러 번 해결책을 가지고 있다고 주장한 것이지만, 어떤 제안도 면밀히 조사하지 않았다. 역설은 여전히 ​​해결되지 않았습니다.

스티븐 호킹 (Stephen Hawking)이 지남에 따라 과학은 가장 잘 알려진 대중의 모습뿐만 아니라 블랙홀의 본질에 대한 놀라운 연구원을 잃었습니다. 그의 마지막 논문은 오늘날 우주론이 직면 한 실존 적 도전에 더 중점을 두었을지 모르지만, 그의 가장 큰 과학적 공헌은 가장 극단적 인 대상을 조사함으로써 우주에 관한 놀라운 양자 진실을 밝혀내는 데있었습니다. 한때 정적, 변하지 않고 질량, 전하 및 스핀에 의해서만 정의 된 블랙홀은 그의 작업을 통해 온도, 방사선을 방출하고 시간이 지남에 따라 증발하는 끊임없이 진화하는 엔진으로 변형되었습니다. 그러나 호킹 방사선의 존재와 속성을 유추하는이 현재 받아 들여진 과학적 결론은 블랙홀이 우주에 대한 정보를 파괴 할 수있는 방법을 제공한다는 엄청난 의미를 가졌다. 세계에서 가장 밝은 사람들의 문제에 대한 40 년 이상의 연구에도 불구하고 블랙홀 정보 역설은 여전히 ​​해결되지 않은 채 남아 있습니다.

질량이 블랙홀에 의해 소모되면 물질의 엔트로피 양은 물리적 특성에 의해 결정됩니다. 그러나 블랙홀 내부에서는 질량, 전하 및 각 운동량과 같은 속성 만 중요합니다. 열역학 제 2 법칙이 성립되어야한다면 이는 큰 수수께끼가된다. 그림 : (NASA / CXC / M.Weiss; X- 레이 (위) : NASA / CXC / MPE / S. Komossa et al. (L); 광학 : ESO / MPE / S. Komossa (R))

열역학의 두 번째 법칙은 우주에서 가장 불가피한 규칙 중 하나입니다. 원하는 시스템을 취하거나 아무것도 출입하지 못하게하고 엔트로피는 자발적으로 감소하지 않습니다. 알은 자발적으로 스크램블링을하지 않으며 따뜻한 물은 뜨겁고 차가운 부분으로 분리되지 않으며 재는 불에 타기 전의 물체 모양으로 다시 조립되지 않습니다. 이 모든 것들이 엔트로피 감소의 예일 것이며, 실제로는 그 자체로는 일어나지 않습니다. 엔트로피는 동일하게 유지 될 수 있습니다. 대부분의 상황에서 증가합니다. 그러나 엔트로피가 낮은 상태로 돌아올 수는 없습니다. 실제로, 엔트로피를 인위적으로 낮추는 유일한 방법은 시스템 내부로 엔트로피를 크게 증가시켜 시스템 외부의 엔트로피를 증가시켜 제 2 법칙을 부정하는 것입니다. 간단히 말해서, 엔트로피는 절대 파괴 될 수 없습니다.

블랙홀의 질량은 회전하지 않는 격리 된 블랙홀의 경우 이벤트 수평선 반경의 유일한 결정 요소입니다. 오랫동안 우주의 시공간에서 블랙홀은 정적 물체라고 생각되었습니다. (SXS 팀; Bohn et al 2015)

블랙홀의 경우 오랜 시간 동안 엔트로피가 0이라는 생각이 있었지만 맞지 않았습니다. 만약 당신이 블랙홀에서 만든 물질이 0이 아닌 엔트로피를 가졌다면, 그 물질을 블랙홀에 던져서 엔트로피가 올라가거나 동일하게 유지되어야합니다. 결코 내려갈 수 없었습니다. 블랙홀의 엔트로피에 대한 아이디어는 존 휠러 (John Wheeler)에게로 돌아온다. 존 휠러 (John Wheeler)는 사건의 지평선 밖에서 관찰자의 관점에서 블랙홀에 떨어질 때 물체에 어떤 일이 일어날 지 생각하고 있었다. 멀리 떨어진 곳에서 누군가가 무의식적으로 사건의 지평선에 접근하여 중력 적 적색 편이로 인해 점점 빨갛게 변하고, 상대 론적 시간 팽창이 효력을 발휘함에 따라 수평선에 도달하는 데 오랜 시간이 걸렸다. 따라서, 떨어진 곳에서 나온 정보는 블랙홀 자체의 표면 영역에 인코딩 된 것으로 보입니다.

블랙홀의 표면에는 이벤트 수평선의 표면적에 비례하여 약간의 정보가 인코딩 될 수 있습니다. (TB Bakker / JP van der Schaar 박사, 암스테르담 대학교)

블랙홀의 질량이 이벤트 지평선의 크기를 결정하므로, 블랙홀의 엔트로피가 존재할 수있는 자연스러운 공간을 이벤트 지평선의 표면 영역에 제공했습니다. 갑자기, 블랙홀은 모두 특정 크기의 사건 지평에서 인코딩 될 수있는 양자 비트의 수에 기초하여 거대한 엔트로피를 가졌다. 그러나 엔트로피가있는 것은 온도가 있기 때문에 방출됩니다. 호킹이 유명한 것처럼 블랙홀은 블랙홀의 질량에 의해 정의 된 특정 (블랙 바디) 스펙트럼과 온도의 방사를 방출합니다. 시간이 지남에 따라 에너지 방출은 아인슈타인의 유명한 E = mc2로 인해 블랙홀이 질량을 잃고 있음을 의미합니다. 에너지가 방출된다면, 그것은 어딘가에서 와야하며,“어딘가”는 블랙홀 그 자체 여야합니다. 시간이 지남에 따라 블랙홀은 훨씬 더 빨리 질량을 잃을 것이며, 미래에 화려한 빛이 번질 때까지 완전히 증발합니다.

영원한 어둠의 겉보기에 영원한 배경에 대하여, 한 번의 섬광, 즉 우주의 마지막 블랙홀의 증발이 나타날 것입니다. (ortega- 사진 / 무료)

이것은 좋은 이야기이지만 문제가 있습니다. 그것이 방출하는 방사선은 순전히 흑체입니다. 즉, 우리가 완전히 검은 물체를 가져 와서 특정 온도까지 가열 한 것과 동일한 특성을 갖습니다. 따라서 방사선은 특정 종목의 모든 블랙홀에 대해 정확히 동일하며 사건 지평에 어떤 정보가 각인되어 있는지에 관계없이 키커입니다.

그러나 열역학의 법칙에 따르면 이것은 불가능합니다! 그것은 정보를 파괴하는 것과 동일하며, 특히 허용되지 않는 것입니다.

화상을 입은 모든 것이 파괴 된 것처럼 보일 수 있지만, 불에서 나오는 모든 것을 추적하면 사전에 태워 진 상태에 관한 모든 것이 원칙적으로 복구 가능합니다. (퍼블릭 도메인)

내용이 매우 다른 동일한 크기의 책 두 권을 태우면 실제로 책 한 권의 텍스트를 재구성 할 수 없지만 용지의 잉크 패턴, 분자 구조의 변형 및 기타 미세한 차이에는 모두 정보가 포함됩니다. 그 정보는 연기, 재, 주변 공기 및 기타 모든 입자에 인코딩되어 남아 있습니다. 책을 포함하여 주변 환경을 임의의 정확도로 모니터링 할 수 있다면 원하는 모든 정보를 재구성 할 수 있습니다. 스크램블되었지만 잃어버린 것은 아닙니다.

그러나 블랙홀 정보 역설은 블랙홀의 이벤트 지평에 각인 된 정보가 일단 증발되면 관측 가능한 우주에 흔적이 남지 않았다는 것입니다.

블랙홀의 시뮬레이션 된 붕괴는 방사선 방출뿐만 아니라 대부분의 물체를 안정적으로 유지하는 중심 궤도 질량의 붕괴를 초래합니다. 블랙홀은 정적 개체가 아니라 시간이 지남에 따라 변경됩니다. 그러나 다른 재료로 형성된 블랙홀은 이벤트 지평에서 다른 정보를 인코딩해야합니다. (EU의 Communicate Science)

이러한 정보 손실은 양자 역학의 규칙에 의해 금지되어야합니다. 모든 시스템은 양자 파동 함수로 설명 할 수 있으며 모든 파동 함수는 고유합니다. 양자 시스템을 제 시간에 발전 시키면 두 개의 다른 시스템이 동일한 최종 상태에 도달 할 수있는 방법은 없지만 정보 역설이 의미하는 바입니다. 우리가 이해하는 한 다음 두 가지 중 하나가 발생해야합니다.

  1. 블랙홀이 증발하면 정보가 실제로 어떻게 든 파괴되어 블랙홀 증발에 대한 새로운 규칙과 법률이 있음을 알려줍니다.
  2. 또는 어떻게 든 방출 된 방사선에는이 정보가 포함되어 있습니다. 이는 지금까지 계산 한 것보다 호킹 방사선에 더 많은 양이 있다는 것을 의미합니다.

이 역설은 처음 발견 된 지 40 년이 지난 후에도 여전히 해결 된 적이 없습니다.

모든 공간에 스며드는 양자 변동의 예. 이러한 변동이 어떻게 든 블랙홀에서 나오는 발신 호킹 방사선에 각인되면 이벤트 지평에서 인코딩 된 정보가 결국 보존 될 수 있습니다. (NASA / CXC / M.Weiss)

Hawking의 원래 계산 결과에 따르면 Hawking 방사선을 통한 증발이 블랙홀의 이벤트 지평에 각인 된 정보를 모두 파괴하는 것으로 나타 났지만 현대 방사선은 해당 정보를 발신 방사선으로 인코딩하기 위해 어떤 일이 발생해야한다고 생각합니다. 많은 물리학 자들은 블랙홀 표면에 인코딩 된 정보가 순수한 열 호킹 복사 상태에 양자 보정을 적용하여 블랙홀이 증발하고 사건의 지평선이 줄어들면서 방사선에 각인한다는 점을 지적하면서 홀로그램 원리에 호소합니다. Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft 및 Leonard Susskind는이 문제와 관련하여 베팅하고 승리와 패배를 선언했지만 역설은 여전히 ​​살아 있고 해결되지 않은 채로 남아 있습니다. 여기에 제시했다.

블랙홀의 사건 지평은 구형 또는 구상 영역으로 빛조차도 아무것도 벗어날 수 없습니다. 그러나 사건의 지평선 밖에서 블랙홀은 방사선을 방출 할 것으로 예상된다. Hawking의 1974 년 작품은 이것을 최초로 보여 주었으며, 아마도 그의 가장 위대한 과학적 업적이었다. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) 등; ESA)

최선의 노력에도 불구하고, 우리는 정보가 에너지 (및 질량)를 방출 할 때 블랙홀에서 누출되는지 여부를 여전히 이해하지 못합니다. 정보가 유출되는 경우 해당 정보가 유출되는 방법과 Hawking의 원래 계산이 언제 또는 어디서 불분명한지 불분명합니다. 호킹 자신은 10여 년 전에 논쟁을 인정했지만, 그 주제에 관해 계속해서 적극적으로 출판했으며, 종종 그가 역설을 마침내 풀 었다고 선언했다. 그러나 역설은 명확한 해결책없이 해결되지 않은 채 남아 있습니다. 아마도 그것은 과학에서 달성하고자 할 수있는 가장 위대한 유산 일 것입니다. 새로운 문제를 너무 복잡하게 밝혀서 여러 세대가 솔루션에 도달하는 것입니다. 이 특별한 경우에, 대부분의 사람들은 그 솔루션이 어떻게 생겼는지에 동의하지만 아무도 어떻게 거기에 가야하는지 모른다. 우리가 할 때까지, 그것은 그가 세계와 공유했던 호킹의 비교할 수없는 수수께끼의 선물의 또 다른 부분으로 남을 것입니다.

Starts With A Bang은 현재 Forbes에 있으며 Patreon 지지자 덕분에 Medium에 다시 게시되었습니다. Ethan은 은하계 저서와 Treknology : Tricorders에서 Warp Drive에 이르기까지 Star Trek의 과학이라는 두 권의 책을 저술했습니다.