एक ब्लैक होल में सूचना विसंगति के विरोधाभास का परिचय

यह लेख एक ब्लैक होल में सूचना के लुप्त होने के विरोधाभास का त्वरित परिचय प्रदान करता है। संक्षिप्तता के लिए, कुछ विवरणों को छोड़ दिया जाता है। इसके अलावा, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि समस्या की वर्तमान समझ इतनी भ्रामक है कि लेख के अंतिम भाग को विश्वसनीय या स्थिर नहीं माना जा सकता है।


अंजीर। 1

दो परस्पर विरोधी सिद्धांत

यह माना जाता है कि क्वांटम सिद्धांत का गणित, जिसे कभी-कभी "क्वांटम यांत्रिकी" कहा जाता है, प्रकृति में सभी भौतिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करता है। इसका उपयोग विशिष्ट घटनाओं की भविष्यवाणी नहीं करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन केवल इस संभावना को प्राप्त करने के लिए कि कुछ होगा। लेकिन संभाव्यताएं केवल तभी समझ में आती हैं जब आप सभी विभिन्न संभावित परिणामों की सभी संभावनाओं को जोड़ते हैं और एक के बराबर राशि प्राप्त करते हैं। एक क्वांटम सिद्धांत जिसमें यह मामला नहीं है, इसका कोई मतलब नहीं है। इसका एक परिणाम यह है कि क्वांटम सिद्धांत में जानकारी कभी भी खोई या कॉपी नहीं होती है; सिद्धांत रूप में, आप हमेशा यह निर्धारित कर सकते हैं कि सिस्टम कहां से शुरू हुआ (इसकी प्रारंभिक स्थिति), इसके समाप्त होने की अंतिम जानकारी (अंतिम स्थिति)। अंजीर में। 1 दो कणों के टकराने और कई कणों के टकराने की जगह से भागने को दर्शाता है, जो एन्क्रिप्टेड रूप में, दो मूल कणों की प्रकृति और गुणों के बारे में जानकारी देता है।

सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण का सिद्धांत है, जिसमें गुरुत्वाकर्षण को अंतरिक्ष और समय की वक्रता का प्रभाव माना जा सकता है। जीआर एक क्वांटम सिद्धांत नहीं है। वह सटीक रूप से भविष्यवाणी करती है कि क्या होगा, और विभिन्न परिणामों की संभावना नहीं देता है।

1915 से 1958 तक, एक समझ धीरे-धीरे विकसित हुई कि बेहद कॉम्पैक्ट और बड़े पैमाने पर ऑब्जेक्ट ब्लैक होल में बदल गए। उनके पास, गुरुत्वाकर्षण असामान्य रूप से मजबूत हो जाता है - इतना है कि अंतरिक्ष-समय बेहद विकृत है, और कोई भी वस्तु जो उनके बहुत करीब आती है और ब्लैक होल क्षितिज को पार करती है - कोई वापसी की सतह - बच नहीं सकती। अंजीर में। चित्रा 2 उस समय एक ब्लैक होल क्षितिज के गठन को दर्शाता है जब पदार्थ के दो गोले पर्याप्त रूप से कॉम्पैक्ट हो जाते हैं। इन दो गोले के बारे में जानकारी क्षितिज के अंदर चलती है और बाहर नहीं जा सकती है - जीआर में।


अंजीर। 2

ध्यान दें कि ब्लैक होल और उनके अंदर की जानकारी को सही ढंग से आकर्षित करना असंभव है। मेरे चित्रण स्पेसटाइम की वक्रता को प्रदर्शित करने में असमर्थ हैं। उदाहरण के लिए, एक पूरी समझ के लिए, आपको इस बात का ध्यान रखना होगा कि ब्लैक होल के अंदर की घड़ी क्षितिज के बाहर की घड़ी से बिल्कुल अलग हो जाती है, जो बदले में, दूरस्थ घड़ी की तरह नहीं जाती है। मेरे चित्रण को गंभीरता से न लें, वैचारिक प्रदर्शन करें, लेकिन मुद्दे का तकनीकी पक्ष नहीं।

क्षितिज कोई वस्तु नहीं है, लेकिन एक जगह जिसके आगे बचना असंभव हो जाता है। एक प्रसिद्ध सादृश्य एक नाव है जो एक जलधारा के साथ एक त्वरित धारा के साथ मिलती है। जब नाव बिना रिटर्न (वक्र 3) के वक्र से गुजरती है, तो इसकी मोटर वर्तमान से लड़ने में असमर्थ हो जाती है, और यह अनिवार्य रूप से गिर जाएगी। लेकिन नाव के कप्तान को वक्र पार होने के क्षण पर ध्यान नहीं दिया जाएगा - यह नदी का सिर्फ एक साधारण हिस्सा है, जिसका महत्व केवल तभी स्पष्ट हो जाएगा जब कप्तान आपदा से बचने की कोशिश करता है। उसी तरह, जीआर में क्षितिज को पार करते हुए, आप कुछ भी नोटिस नहीं करेंगे; केवल जब आप ब्लैक होल से बचने की कोशिश करेंगे तो आप पाएंगे कि - ओह - आप बहुत करीब आ गए।


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एक ब्लैक होल में जानकारी के गायब होने का विरोधाभास

1974-1975 में हॉकिंग के बाद विरोधाभास उत्पन्न हुआ कि क्वांटम क्षेत्रों से घिरा एक ब्लैक होल कणों (हॉकिंग विकिरण) और सिकुड़ जाएगा (छवि 4), जिसके परिणामस्वरूप यह वाष्पित हो जाएगा। अंजीर के साथ तुलना करें। 2, जिसमें दो गोले के बारे में जानकारी एक ब्लैक होल के अंदर फंस जाती है। अंजीर में। 4 ब्लैक होल गायब जानकारी कहां गई? यदि यह ब्लैक होल के साथ गायब हो जाता है, तो यह क्वांटम सिद्धांत का उल्लंघन करता है।


अंजीर। 4: 1) पदार्थ के गोले संकुचित होते हैं; 2) एक क्षितिज का निर्माण होता है, और हॉकिंग विकिरण प्रकट होता है (द्रव्यमान या छोटे द्रव्यमान के बिना कणों के रूप में, उदाहरण के लिए, फोटॉन, न्यूट्रिनो या ग्रेविटॉन); 3) हॉकिंग विकिरण ऊर्जा को दूर ले जाता है, जिससे ब्लैक होल का आकार और द्रव्यमान सिकुड़ जाता है; 4) अंत में, ब्लैक होल पूरी तरह से गायब हो जाता है, केवल हॉकिंग विकिरण को छोड़कर। सीधे शब्दों में कहें, तो ब्लैक होल में गिरी जानकारी गायब हो जाती है, जो क्वांटम सिद्धांत के सिद्धांतों का उल्लंघन करती है। क्या क्वांटम सिद्धांत को बदलना आवश्यक है?

शायद हॉकिंग विकिरण के साथ जानकारी वापस आ गई? समस्या यह है कि जानकारी एक ब्लैक होल से बच नहीं सकती है। वह जो अंदर रहता है उसे कॉपी करने के अलावा हॉकनिग के विकिरण में नहीं जा सकता है। लेकिन सूचना की दो प्रतियां, एक अंदर और एक बाहर होने से भी क्वांटम सिद्धांत का उल्लंघन होता है।


अंजीर। 5: यदि सूचना को हॉकिंग विकिरण में कॉपी किया जाता है, तो यह क्वांटम सिद्धांत का उल्लंघन करता है।

बेशक, बिंदु यह हो सकता है कि क्वांटम सिद्धांत अधूरा है, और यह ब्लैक होल भौतिकी हमें इसका विस्तार करने के लिए मजबूर करती है, क्योंकि आइंस्टीन ने सापेक्षता के अपने सिद्धांत के साथ न्यूटन के नियमों का विस्तार किया था। तीस साल तक यही हॉकिंग मानते थे।

पूरक का सिद्धांत: क्वांटम सिद्धांत की बचत

हालांकि, दूसरों का मानना ​​था कि यह क्वांटम सिद्धांत नहीं था जिसे बदलने की आवश्यकता थी, लेकिन सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत। 1992 में, "पूरकता का सिद्धांत" प्रस्तावित किया गया था, जिसके अनुसार, जानकारी एक अर्थ में है, दोनों अंदर और बाहर, क्वांटम सिद्धांत का उल्लंघन किए बिना। इस धारणा को ससकीन और उनके युवा सहयोगियों ने विकसित किया था। विशेष रूप से, पर्यवेक्षक जो ब्लैक होल के बाहर रहते हैं, वे देखते हैं कि कैसे क्षितिज पर जानकारी जमा होती है, और फिर हॉकिंग विकिरण के साथ उड़ जाता है। एक ब्लैक होल में गिरने वाले पर्यवेक्षक अंदर की जानकारी देखते हैं (चित्र 6)। चूंकि पर्यवेक्षकों के ये दो वर्ग संवाद नहीं कर सकते हैं, एक विरोधाभास उत्पन्न नहीं होता है।


अंजीर। 6: संपूरकता का सिद्धांत कहता है कि सब कुछ दृष्टिकोण पर निर्भर करता है। बाहर का पर्यवेक्षक (2a) बाहर संग्रहीत जानकारी देखता है, और (3a) हॉकिंग विकिरण को प्रेषित करता है। अंदर की ओर गिरने वाला प्रेक्षक (2 बी) अंदर की जानकारी देखता है।

और फिर भी, यह धारणा संभावित रूप से आंतरिक विरोधाभासी है, और सच होने के लिए कुछ अजीब चीजों की आवश्यकता होती है। उनमें से जिसे "होलोग्रफी" कहा जाता है, वह एक विचार है जिसे 'टी हूफ्ट' और उसके बाद सस्सकिन्ड द्वारा विकसित किया गया है। विचार यह है कि ब्लैक-होल के त्रि-आयामी सामग्री का भौतिकी, जिसमें गुरुत्वाकर्षण स्पष्ट रूप से काम करता है, एक रहस्यमय परिवर्तन के माध्यम से माना जा सकता है, क्योंकि भौतिकी सीधे दो-आयामी क्षितिज के ऊपर स्थित है, जहां यह दो-आयामी समीकरणों द्वारा वर्णित है जिसमें गुरुत्वाकर्षण बिल्कुल भी प्रवेश नहीं करता है!


अंजीर। 7: यह दिलचस्प है कि इसके बाहरी भाग के माध्यम से एक ब्लैक होल के अंदर का वर्णन करना संभव है, यह 1990 के दशक के अंत और 2000 के दशक की शुरुआत में दिखाया गया था। स्ट्रिंग सिद्धांत, जिसमें जीआर का एक क्वांटम संस्करण शामिल है, कुछ मामलों में ऐसा कर सकता है।

अजीब तरह से पर्याप्त, इस सिद्धांत को 1990 के दशक के अंत में पर्याप्त पुष्टि मिली, कम से कम कुछ स्थितियों के लिए। 1997 में, माल्डसेना ने सुझाव दिया (और सैकड़ों लोगों ने विभिन्न तरीकों से इस धारणा का परीक्षण किया) कि कुछ शर्तों के तहत , स्ट्रिंग सिद्धांत (जीआर की एक मात्रा सामान्यीकरण, हमारे ब्रह्मांड की प्रकृति के नियमों के सिद्धांत के लिए एक उम्मीदवार) गुरुत्वाकर्षण के बिना क्वांटम सिद्धांत (विशेष रूप से, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत ) के बराबर है और कुछ हद तक कम है। माप की संख्या। यह संबंध, जिसे AdS / CFT या "फ़ील्ड / स्ट्रिंग मिलान" के रूप में जाना जाता है, एक अलग लेख के योग्य है।

होलोग्राफी की सफलता ने पूरक के सिद्धांत की सच्चाई में विश्वास को मजबूत किया। इसके अलावा, फ़ील्ड / स्ट्रिंग पत्राचार ने यह स्पष्ट रूप से दर्शाना संभव बना दिया है कि छोटे ब्लैक होल एक प्रक्रिया में स्ट्रिंग सिद्धांत में बन सकते हैं और वाष्पित हो सकते हैं, जिसे संबंधित क्वांटम फ़ील्ड सिद्धांत द्वारा वर्णित किया जा सकता है (हालांकि विस्तार से नहीं) - और इसलिए यह प्रक्रिया, किसी भी अन्य की तरह क्वांटम सिद्धांत में प्रक्रिया, सूचना के संरक्षण के साथ होती है! 2005 तक, हॉकिंग ने भी इस दृष्टिकोण को स्वीकार किया - कि, जैसा कि पूरकता का सिद्धांत मानता है, सूचना ब्लैक होल में नहीं खोई जाती है, और यह कि जीआर को बदलना होगा, क्वांटम सिद्धांत नहीं।

फ़ायरवॉल और वर्तमान मेस

हालांकि, पूरक के सिद्धांत में विसंगतियां थीं। ब्लैक होल का वाष्पीकरण इतना धीमा है कि क्वांटम सिद्धांत में इस प्रक्रिया का वर्णन करने वाले कोई समीकरण नहीं हैं। इन समीकरणों की खोज में, अल्महेरी, मोरोल्फ, पॉल्किंस्की और सैली ने पाया कि, उचित मान्यताओं के तहत, संपूरकता के सिद्धांत में एक आंतरिक विरोधाभास होता है जो ब्लैक होल के लगभग आधे हिस्से में विकसित होने पर स्वयं प्रकट होता है। इसका प्रमाण बहुत मुश्किल है, इसमें क्वांटम उलझाव शामिल है, जिसे आइंस्टीन ने "खौफनाक" कहा, और जिसका उपयोग क्वांटम कंप्यूटरों में किया जाता है। मोटे तौर पर, प्रक्रिया के बीच में, हॉकिंग विकिरण के माध्यम से ब्लैक होल से इतनी जानकारी गायब हो जाती है कि होलोग्राफी का उपयोग करके क्षितिज पर ब्लैक होल के अंदर प्रदर्शित करना पर्याप्त नहीं है। इसलिए, प्रेक्षक के बजाय आंतरिक रूप से हानिरहित क्षितिज से गुजरते हुए शांति से गिरता है, जैसा कि चित्र 6 में है, प्रेक्षक को कोई भी आवरण नहीं मिलेगा, और बहुत कठोर - वह भून जाएगा एक फ़ायरवॉल (आग की दीवार) सीधे क्षितिज के ऊपर लटकती है (चित्र 8)।


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फ़ायरवॉल की संभावना को जीआर में भारी बदलाव की आवश्यकता होगी। सच्चाई के मामले में, यह पता चलेगा कि जीआर में ब्लैक होल का वर्णन, एक बड़े आंतरिक आयतन के साथ, एक क्षितिज के साथ, जो बिना किसी रिटर्न के केवल एक बिंदु का प्रतिनिधित्व करता है (चित्र 3 में), और कुछ विशेष स्थान पर नहीं जहां कुछ होता है, बाहर निकलेगा। पूरी तरह से गलत होने के बाद ब्लैक होल काफी हद तक वाष्पित हो जाएगा।

तो विरोधाभास वापस आ गया है! और भी बुरा। यह पता चला है कि अगर क्वांटम सिद्धांत और पूरकता का सिद्धांत सही है, तो जीआर को आंशिक रूप से नहीं बदलना चाहिए - इसे गंभीरता से लेना चाहिए! और इस तरह के परिवर्तन का कोई संकेत स्ट्रिंग सिद्धांत में नहीं देखा गया है, जो होलोग्राफी का एक उदाहरण प्रस्तुत करता है। लेकिन खेतों / तारों के पत्राचार से पता चलता है कि क्वांटम सिद्धांत ब्लैक होल के निर्माण और वाष्पीकरण का वर्णन कर सकता है, इसलिए जानकारी गायब नहीं होती है। क्या संपूरकता का सिद्धांत किसी भी चीज से बदला जा सकता है? या विरोधाभास पैदा करने वाला कोई तर्क गलत है?

हर कोई उलझन में है। इस पहेली को सुलझाने के लिए कई सुझाव हैं। उनमें से अधिकांश आप तक नहीं पहुंचते हैं। मीडिया आपको हॉकिंग के बारे में बताता है क्योंकि वह प्रसिद्ध है, लेकिन वह विभिन्न विचारों पर चर्चा करने वाली बहुत सारी आवाजों में से एक है। ये सभी विचार एक समस्या से ग्रस्त हैं: यह साबित करने के लिए समीकरणों की कमी कि वे कैसे काम करते हैं, इसका विवरण दें। और चूंकि समीकरणों की कमी के कारण फ़ायरवॉल विरोधाभास हो गया था, कोई भी इस स्थिति से मुश्किल से बाहर निकल सकता है, समीकरणों की अपर्याप्त संख्या के साथ एक और धारणा पर भरोसा करता है!

लेकिन, हालांकि हॉकिंग कई प्रस्तावकों में से एक हैं, और यद्यपि उनकी धारणा में पर्याप्त समीकरण नहीं हैं, यह अधूरा होने की संभावना है, और संभवतः गलत है - आप शायद जानना चाहेंगे कि उन्होंने क्या सुझाव दिया। समीकरणों के बिना इसे समझना मुश्किल है, लेकिन यहां मैं इसे कैसे समझा सकता हूं (चित्र 9)। हॉकिंग ने नोट किया कि यद्यपि ब्लैक होल का बाहरी भाग जल्दी से सरल हो जाता है, फिर भी उनके आवरण बहुत जटिल हो सकते हैं। जटिल प्रणाली, जैसे कि मौसम, अराजकता के गुण दिखाते हैं, जो क्वांटम सिद्धांत का उपयोग करने से पहले ही उन्हें अप्रत्याशित बना सकते हैं। उनका सुझाव है कि यह जटिलता क्षितिज को अस्थिर करती है और ब्लैक होल के अंदर एन्क्रिप्ट की गई जानकारी को लीक करने की अनुमति देती है। चूंकि यह सामान्य सापेक्षता पर हॉकिंग के प्रमेयों का उल्लंघन करेगा, इसलिए मेरा मानना ​​है कि इसका मतलब है कि सामान्य सापेक्षता को बदलना होगा। और चूँकि उनकी धारणा AdS / CFT (क्षेत्र / स्ट्रिंग मिलान) पर आधारित है, मेरा मानना ​​है कि उनका मानना ​​है कि यह स्ट्रिंग सिद्धांत में होना चाहिए। और चूंकि ब्लैक होल में जो मिला वह अभी भी इससे बाहर आता है, ये छेद वास्तव में काले नहीं हैं - इसलिए उन्हें "ग्रे होल", या "मेटास्टेबल बाउंड ग्रेविटेशनल स्टेट्स", या "पहली नज़र में ब्लैक होल" कहा जाता है। "- लेकिन" अश्वेतों "सही शब्द नहीं हो सकता है।


अंजीर। 9: मैं हॉकिंग से माफी मांगता हूं, क्योंकि न तो मुझे और न ही मेरे सर्कल में किसी को पता है कि उसका क्या मतलब है। इसलिए मुझे लगता है कि वह मुझे प्रस्ताव देने की कोशिश कर रहा है की एक मोटा स्केच बनाना था।

लेकिन इस प्रस्ताव के साथ कई स्पष्ट समस्याएं हैं, जिनमें से कम से कम यह नहीं है कि फ़ायरवॉल का रहस्य पहले से ही आधे-वाष्पीकृत ब्लैक होल पर दिखाई देता है, और इसके जीवन के अंत में नहीं। इसलिए, ब्लैक होल काफी बड़ा रहता है जब पहले से ही जानकारी लीक होना शुरू हो जाती है - और हॉकिंग के प्रस्ताव के साथ सामंजस्य स्थापित करना बहुत मुश्किल है। इसलिए हॉकिंग के प्रस्ताव के बारे में आम सहमति की प्रतीक्षा न करें, विशेष रूप से हल करने के लिए किसी विशेष समीकरण के बिना।

किसी भी मामले में, ब्लैक होल के बारे में जो कुछ भी आपने सीखा है वह अभी भी अनिवार्य रूप से सच है। एस्ट्रोफिजिसिस्ट्स को उन परिवर्तनों के बारे में चिंता करने की आवश्यकता नहीं है जो वे सोचते हैं कि वे तारकीय या गैलेक्टिक ब्लैक होल के बारे में जानते हैं। कम से कम बड़े और बहुत पुराने ब्लैक होल के लिए, हॉकिंग के प्रस्ताव से कोई औसत दर्जे का परिवर्तन नहीं होगा। और यदि आप एक छेद में गिरते हैं, तो आप अभी भी बाहर नहीं निकल सकते हैं, या बाहर किसी को संदेश भेज सकते हैं। इसलिए, भले ही यह पता चले कि सख्त ब्लैक होल मौजूद नहीं हैं, ब्रह्मांड में लगभग हर आकाशगंगा के केंद्र में अभी भी एक "पर्याप्त रूप से ब्लैक" होल होगा।

इस 40 वर्षीय पहेली को जल्द ही हल करने की उम्मीद न करें। सबसे अधिक संभावना है, उसका निर्णय कुछ युवा भौतिक विज्ञानी द्वारा पेश किया जाएगा, जिनके बारे में आप कुछ भी नहीं जानते हैं, या यहां तक ​​कि एक अजन्मा व्यक्ति भी।