جوهر المشكلة التي صاغها هوكينج هو كما يلي: أثناء تكوين الثقوب السوداء والانحلال اللاحق ، يتم فقدان المعلومات حول تكوينها التفصيلي.

التحول بالأشعة تحت الحمراء

لشرح جوهر المفارقة ، فكر في الموجات الكهرومغناطيسية. تأتي بترددات مختلفة ، وأقل الترددات تتوافق مع موجات الراديو. إذا قمت بزيادة التردد ، فسيكون بالفعل الأشعة تحت الحمراء. ثم نحصل على الأمواج من الطيف المرئي (الضوئي). أبعد من الطيف المرئي سيكون هناك الأشعة فوق البنفسجية وموجات الأشعة السينية ، وأخيرًا أشعة جاما.

إذا وضعنا مصدر إشعاع على مسافة معينة من أي جسم فضائي ضخم وراقبنا الضوء المنبعث منه على مسافة كبيرة من مركز الجاذبية ، فسوف نرى ما يسمى التحول بالأشعة تحت الحمراء. سيكون التردد المرصود للإشعاع بعيدًا عن الجاذبية أقل قليلاً من ذلك المنبعث في محيطه. وذلك لأن طاقة الفوتونات (الموجات الكهرومغناطيسية) تتناسب طرديًا مع ترددها. الفوتون ، عندما يتغلب على جاذبية الجاذبية ، يقوم بالعمل ، على التوالي ، يفقد الطاقة ، وبالتالي ينخفض تردده.

بالنسبة لجسم مثل الأرض ، فإن هذا التأثير ضعيف إلى حد ما ، ولكن يمكن قياسه. ومع ذلك ، على سبيل المثال ، بالنسبة للنجم النيوتروني ، يمكن أن يكون حجم التحول بالأشعة تحت الحمراء كبيرًا جدًا. في المقابل ، بالنسبة للثقب الأسود ، تصل هذه الظاهرة إلى ذروتها بالمعنى التالي. والحقيقة هي أن الثقب الأسود له ما يسمى بأفق الحدث - السطح الذي يخضع لأي إشعاع لتحول لا نهائي للأشعة تحت الحمراء. بمعنى ، إذا كان مصدر الإشعاع موجودًا مباشرة في الأفق ، فسترى الحقل الذي تم إنشاؤه به لا يتغير بمرور الوقت: لا يوجد إشعاع ، بغض النظر عن مدى الأفق الذي تتواجد فيه. الأفق هو ذلك السطح الذي لا يستطيع الضوء (أو أي موجة) أن يخرج منه.

"غياب نظرية الشعر"

يتم ترتيب الثقوب السوداء بحيث تنشئ حقولًا ثابتة حصريًا ، حتى لو كانت تدور حول محورها (بشرط أن يكون مركز كتلتها في حالة راحة). لن تتغير مجالات الجاذبية والكهرومغناطيسية التي أنشأتها بها بمرور الوقت. يسمى هذا البيان نظرية فقدان الشعر في الثقب الأسود. بالنسبة للنجوم ، الأمر ليس كذلك: يمكنهم أن يخلقوا حولهم ، على سبيل المثال ، المجالات المغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت ، حتى لو كان مركز ثقلهم في حالة راحة. هذا يرجع إلى حقيقة أن الشحنات داخل النجم تقوم بحركات مختلفة ، مما يخلق إشعاعًا. لكن الثقب الأسود لا يخلق أي شيء من هذا النوع ، حتى لو حدثت حركة رهيبة للشحنات في أفقه.

لنقم بتجربة فكرية: لنفترض أن لدينا سحبتين من الجسيمات ، إحداهما تتكون فقط من البروتونات والبروتونات المضادة ، والثانية تتكون من النيوترونات. بدأ شيء ما في مرحلة ما لضغط هذه الغيوم. إذا كانت كتلهم ولحظات دورانهم هي نفسها ، ونتيجة لذلك نحصل على ثقبين أسودين لا يمكن تمييزهما تمامًا عن بعضهما البعض.

إشعاع هوكينج

في أوائل السبعينيات ، أظهر ستيفن هوكينج أن الثقب الأسود يجب أن ينبعث منه إشعاعًا ، ولكن له طبيعة مختلفة تمامًا مقارنة بالإشعاع الكلاسيكي الذي تحدثنا عنه أعلاه. الإشعاع الذي نوقش أعلاه له مصادر ، وهي تحريك الشحنات والكتل. ويمكن القول أن إشعاع هوكينج ليس له مصدر: إنه ليس نتيجة أي حركة شحنات. ينشأ هذا الإشعاع نتيجة للتغيرات في خصائص الفراغ (تضخيم / تضخيم اهتزازات نقطة الصفر) بسبب انهيار المادة في الثقب الأسود. علاوة على ذلك ، إذا كانت الشحنات والكتل لا تؤدي إلا إلى الموجات الكهرومغناطيسية والجاذبية ، فعندئذٍ نتيجة لإشعاع هوكينج الكمومي ، يمكن أن يكون هناك ولادة إلكترونات وبوزيترونات وبروتونات وجسيمات أخرى.

لذا ، تبدأ الثقوب السوداء في إثارة جزيئات مختلفة في جوارهم. يحتوي هذا الإشعاع على عدد من الخصائص المميزة. أولاً ، إنه ثابت ، أي أنه يتغير ببطء شديد في الوقت المناسب إذا كان الثقب الأسود ثقيلًا بما فيه الكفاية ويفقد كتلته ببطء ، مما يؤدي إلى ظهور الجسيمات. علاوة على ذلك ، يحتوي إشعاع هوكينغ على طيف حراري. أي أن الثقب الأسود يشع كمصدر منتظم يسخن إلى درجة حرارة معينة - يتميز شكل هذا الطيف حصريًا بقيمة درجة الحرارة.

من السمات الهامة لطيف درجة الحرارة أن جميع خصائص الجسيمات ، باستثناء الكتلة والشحنة ، تنبعث بنفس الاحتمال. على سبيل المثال ، على سبيل المثال ، ينبعث أي جسيم محايد وفوتون بنفس الطاقة بنفس الاحتمال.

مفارقة

الآن نحن على استعداد لصياغة ما هي مفارقة المعلومات. تخيل أن لديك سحبتان مألوفتان لنا ، إحداهما تتكون من البروتونات والبروتونات المضادة ، والأخرى من النيوترونات. تخيل أن شيئًا ما يتكون منهم نجمان - بروتون ونيوترون. ثم تشع هذه النجوم ، نتيجة لحرقها ، جزءًا من كتلتها ، ويبقى شيء على شكل كرة باردة. نظريًا ، من بقايا تطور النجوم ، يمكننا تتبع تاريخ كل جسيم أولي كان جزءًا من الغيوم. بالطبع ، هذه مهمة صعبة بجنون من الناحية الفنية ، ولكن هذه مسألة إمكانية مبدأ فقط. الفرق في حالة الثقوب السوداء هو أننا ، أولاً ، يبدو أننا غير قادرين على التمييز بين الثقوب السوداء - البروتون والنيوترون ، كما هو موضح أعلاه. ثانيًاالإشعاع الحراري بدون مصادر لا يحمل أي معلومات تفصيلية عن تكوين الثقب الأسود. وبالتالي ، وفقًا لبقايا تطور الثقوب السوداء ، حتى لو تحولت كتلتها بالكامل إلى إشعاع ، فقد يبدو ، من حيث المبدأ ، غير قادر على استعادة أصلها.

لماذا هذا التناقض؟ الحقيقة هي أن قوة العلم تكمن في قوته التنبؤية. يمكن أن يتنبأ العلم أنه إذا قمت بذلك وهكذا ، فستحصل على مثل هذه النتيجة مع مثل هذا الاحتمال ودقة مثل هذه ، والتعبير عن هذا البيان كمًا. ويمكن لأي عالم آخر التحقق من هذه التجربة أو تلك. اتضح أنه إذا فُقدت المعلومات ، فعند وجود ثقب أسود ، يتبين أن كل هذا خطأ. من الناحية الرياضية ، يتم التعبير عن هذا في حقيقة أن الاحتمال الكلي لبعض العمليات قد يتحول إلى عدم مساواة في الوحدة ، حتى أكبر من الوحدة.

نقد المفارقة

ومع ذلك ، فقد استند كل ما سبق إلى نوع من التفكير النوعي. كلها تتطلب تأكيدا حسابيا رسميا. تصاغ هذه التأكيدات الحسابية للمفارقة مع هذه الدرجة المنخفضة من الصرامة ومع العديد من الافتراضات الأولية التي يمكن دحضها بنفس الدرجة من الصرامة. شيء آخر هو أن العديد من تفاصيل العمليات المختلفة التي تحدث في وجود ثقوب سوداء لا تزال غير واضحة. وبالنسبة لهذا الجزء من المجتمع العلمي الذي يعتقد أن هناك مفارقة ، فإن حلها هو ضوء توجيه في فهم طبيعة الثقوب السوداء. غالبًا ما يحدث في العلم أن هناك وجهات نظر مختلفة فيما يتعلق بموضوع لا يزال غير مفهوم جيدًا.

اميل احمدوف، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية ، باحث بارز في معهد A.I Alikhanov للفيزياء النظرية والتجريبية ، أستاذ مشارك ، قسم الفيزياء النظرية ، معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ، أستاذ مشارك ، قسم الرياضيات ، المدرسة العليا للاقتصاد.

موصى به حول الموضوع:

5 كتب عن المجرات وهيكل
معلومات مفارقة موت الكون
للنجوم

مفارقة هوكينج