Eine einfache Möglichkeit, sich die Entropie von Schwarzen Löchern vorzustellen, besteht darin, sich vor Augen zu führen, dass die Entropie den Verlust an freier Energie – das heißt Energie, die für Arbeit verfügbar ist – aus einem System darstellt. Unnötig zu erwähnen, dass alles, was Sie in ein Schwarzes Loch werfen, im weiteren Universum nicht mehr zur Verfügung steht.
Eine einfache Möglichkeit, über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (der über die Entropie) nachzudenken, besteht darin, sich vor Augen zu führen, dass Wärme nicht von einem kälteren Ort zu einem heißeren Ort fließen kann – sie fließt nur in die andere Richtung. Als Ergebnis sollte jedes isolierte System schließlich einen Zustand des thermischen Gleichgewichts erreichen. Oder wenn Sie möchten, wird die Entropie eines isolierten Systems im Laufe der Zeit tendenziell ansteigen – und erreicht einen maximalen Wert, wenn dieses System ein thermisches Gleichgewicht erreicht.
Wenn Sie die Entropie mathematisch ausdrücken, ist dies ein berechenbarer Wert, der mit der Zeit tendenziell ansteigt. In den siebziger Jahren, Jacob Bekenstein ausgedrückt Entropie Schwarzer Löcher als ein Problem für die Physik. Zweifellos könnte er es viel besser erklären als ich, aber ich denke, die Idee ist, dass, wenn Sie ein System mit einem bekannten Entropiewert plötzlich über den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs hinaus verschieben, es unermesslich wird – als ob seine Entropie verschwindet. Dies stellt eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik dar – da die Entropie eines Systems bestenfalls konstant bleiben sollte – oder häufiger zunehmen sollte – kann sie nicht plötzlich so abstürzen.
Der beste Weg, damit umzugehen, besteht darin, anzuerkennen, dass die Entropie, die ein System besitzt, auf das Schwarze Loch übertragen wird, wenn das System darin eindringt. Dies ist ein weiterer Grund, warum Schwarzen Löchern eine sehr hohe Entropie zugeschrieben werden kann.
Dann kommen wir zum Thema Information. Der SatzDer flinke braune Fuchs sprang über den faulen Hundist ein hochentwickeltes System mit geringer Entropie – indem es 26 Kacheln aus einem Scrabble-Set herauszieht und sie legt, wie auch immer sie kommen, liefert ein zufällig geordnetes Objekt mit einem hohen Maß an Entropie und Unsicherheit (sofern es beliebig sein könnte) einer Milliarde möglicher Variationen).
Werfen Sie Ihre Scrabble-Kacheln in ein Schwarzes Loch – sie werden den Entropiewert mit sich führen, mit dem sie begonnen haben – der innerhalb des Schwarzen Lochs wahrscheinlich weiter zunehmen wird. Tatsächlich ist es wahrscheinlich, dass die Kacheln nicht nur unorganisierter werden, sondern tatsächlich innerhalb des Schwarzen Lochs in Stücke zerquetscht werden.
Nun gibt es in der Quantenmechanik ein grundlegendes Prinzip, das verlangt, dass Informationen nicht zerstört oder verloren werden können. Es geht mehr um Wellenfunktionen als um Scrabble-Kacheln – aber bleiben wir bei der Analogie.
Sie werden nicht gegen das Informationserhaltungsprinzip verstoßen, indem Sie ein Schwarzes Loch mit Scrabble-Kacheln füllen. Ihre Informationen werden nur an das Schwarze Loch übertragen und gehen nicht verloren – und selbst wenn die Kacheln in Stücke zerquetscht werden, sind die Informationen in irgendeiner Form noch vorhanden. Das ist in Ordnung.
Es gibt jedoch ein Problem, wenn in a googol Jahren verdampft das Schwarze Loch durch Hawking-Strahlung, die aus Quantenfluktuationen am Ereignishorizont entsteht und keinen offensichtlichen kausalen Zusammenhang mit dem Inhalt des Schwarzen Lochs hat.
Die Geschichte der Hawking-Strahlung. Eine Quantenfluktuation nahe dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs erzeugt ein Teilchen und ein Antiteilchen. Das Antiteilchen dringt in das Schwarze Loch ein und vernichtet, wenn es mit einem Teilchen darin kollidiert. Das verbleibende Teilchen kann sich außerhalb des Ereignishorizonts dem Rest des Universums anschließen. Für einen externen Beobachter scheint das Schwarze Loch Masse verloren zu haben und ein Teilchen abgestrahlt zu haben. Im Laufe der Zeit würde dieser Prozess dazu führen, dass das Schwarze Loch verdampft. Bis heute - gute Geschichte, Beweise null, aber passen Sie auf diesen Raum auf. Bildnachweis: NAU.
Eine derzeit favorisierte Lösung für dieses Problem ist die holographisches Prinzip – was darauf hindeutet, dass alles, was in das Schwarze Loch eindringt, einen Abdruck auf seinem Ereignishorizont hinterlässt – so dass Informationen über den gesamten Inhalt des Schwarzen Lochs nur von der Ereignishorizont-„Oberfläche“ abgeleitet werden können – und jede nachfolgende Hawking-Strahlung mit einem Quantum beeinflusst wird Ebene durch diese Informationen – so dass es der Hawking-Strahlung gelingt, Informationen aus dem Schwarzen Loch zu transportieren, wenn das Schwarze Loch verdampft.
Zhang et al bieten einen anderen Ansatz, um darauf hinzuweisen, dass Hawking-Strahlung über Quantentunneln , trägt Entropie aus dem Schwarzen Loch – und da eine reduzierte Entropie eine geringere Unsicherheit bedeutet – stellt dies einen Nettogewinn an Informationen dar, die dem Schwarzen Loch entnommen werden. Hawking-Strahlung trägt also nicht nur Entropie, sondern auch Informationen aus dem Schwarzen Loch.
Aber ist das mehr oder weniger überzeugend als die Hologramm-Idee? Nun, das ist ungewiss…
Weiterlesen:Zhanget al. Eine Interpretation für die Entropie eines Schwarzen Lochs.