Semesta adalah tempat yang menakjubkan dan aneh yang dipenuhi dengan fenomena yang tidak dapat dijelaskan. Salah satu fenomena tersebut, paradoks informasi lubang hitam, tampaknya melanggar hukum fundamental fisika.
Horizon peristiwa lubang hitam dianggap sebagai perbatasan terakhir: sekali di luarnya, tidak ada yang bisa meninggalkan lubang hitam, bahkan cahaya. Tetapi apakah ini berlaku untuk informasi seperti itu? Apakah dia akan hilang selamanya di lubang hitam seperti yang lainnya?
Pertama-tama, kita harus memahami bahwa paradoks informasi lubang hitam tidak terkait dengan bagaimana kita digunakan untuk mempersepsikan informasi. Ketika kita memikirkan kata-kata yang dicetak dalam sebuah buku, jumlah bit dan byte dalam file komputer, atau konfigurasi dan properti kuantum dari partikel yang membentuk sistem, kita menganggap informasi sebagai kumpulan lengkap dari semua yang kita butuhkan untuk menciptakan kembali apa pun dari awal.
Namun, definisi tradisional dari informasi bukanlah properti fisik langsung yang dapat diukur atau dihitung, seperti, misalnya, dapat dilakukan dengan suhu. Untungnya bagi kami, ada properti fisik yang dapat kami definisikan setara dengan informasi - entropi. Daripada memikirkan entropi sebagai ukuran ketidakteraturan, itu harus dianggap sebagai informasi yang “hilang” yang diperlukan untuk menentukan keadaan mikro spesifik dari suatu sistem.
Ketika lubang hitam menyerap massa, jumlah entropi suatu zat ditentukan oleh sifat fisiknya. Namun, di dalam lubang hitam, hanya materi yang memiliki sifat seperti massa, muatan, dan momentum sudut. Untuk mempertahankan hukum kedua termodinamika, ini menghadirkan masalah serius / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Ketika lubang hitam menyerap massa, jumlah entropi materi ditentukan oleh sifat fisiknya. Namun, di dalam lubang hitam, hanya materi yang memiliki sifat seperti massa, muatan, dan momentum sudut. Ini menimbulkan masalah serius bagi pelestarian hukum kedua termodinamika.
Ada aturan tertentu di alam semesta yang harus diikuti oleh entropi. Hukum kedua termodinamika dapat disebut yang paling tidak bisa dihancurkan dari semuanya: ambillah sistem apa pun, jangan biarkan apa pun masuk atau keluar - dan entropinya tidak akan pernah tiba-tiba berkurang.
Telur yang pecah tidak terkumpul kembali ke dalam cangkangnya, air hangat tidak pernah terpisah menjadi bagian yang panas dan dingin, dan abu tidak pernah terkumpul dalam bentuk benda sebelum dibakar. Semua ini akan menjadi contoh penurunan entropi, dan jelas tidak ada yang seperti ini terjadi di alam dengan sendirinya. Entropi bisa tetap sama dan meningkat dalam banyak keadaan, tetapi tidak pernah bisa kembali ke keadaan yang lebih rendah.
Satu-satunya cara untuk mereduksi entropi secara artifisial adalah dengan memasukkan energi ke dalam sistem, dengan demikian "menipu" hukum kedua termodinamika, meningkatkan entropi di luar sistem ini dengan nilai yang lebih besar daripada penurunannya dalam sistem ini. Pembersihan rumah adalah contoh yang bagus. Dengan kata lain, Anda tidak dapat menghilangkan entropi.
Video promosi:
Jadi apa yang terjadi ketika lubang hitam memakan materi? Bayangkan kita melempar buku ke dalam lubang hitam. Satu-satunya sifat yang dapat kita atributkan ke lubang hitam agak biasa: massa, muatan, dan momentum sudut. Buku itu berisi informasi, tetapi ketika Anda melemparkannya ke lubang hitam, massanya hanya bertambah. Awalnya, ketika para ilmuwan mulai mempelajari masalah ini, diyakini bahwa entropi lubang hitam adalah nol. Tetapi jika itu masalahnya, memasukkan sesuatu ke dalam lubang hitam akan selalu melanggar hukum kedua termodinamika. Yang tentu saja tidak mungkin.
Massa lubang hitam adalah satu-satunya faktor penentu dalam radius cakrawala peristiwa untuk lubang hitam terisolasi yang tidak berputar. Untuk waktu yang lama, lubang hitam diyakini sebagai objek statis di ruang-waktu alam semesta.
Tapi bagaimana Anda menghitung entropi lubang hitam?
Ide ini dapat ditelusuri kembali ke John Wheeler, yang merenungkan apa yang terjadi pada suatu objek saat jatuh ke dalam lubang hitam dari perspektif pengamat yang jauh dari cakrawala peristiwa. Dari jarak yang sangat jauh, tampak bagi kita bahwa seseorang yang jatuh ke dalam lubang hitam secara asimtotik mendekati cakrawala peristiwa, semakin memerah karena pergeseran merah gravitasi dan bergerak sangat jauh menuju cakrawala karena efek pelebaran waktu relativistik. Dengan demikian, informasi dari sesuatu yang jatuh ke dalam lubang hitam akan tetap "terenkripsi" di permukaannya.
Ini menyelesaikan masalah dengan elegan dan terdengar masuk akal. Ketika sesuatu jatuh ke dalam lubang hitam, massanya bertambah. Dengan bertambahnya massa, jari-jarinya juga bertambah, dan karenanya luas permukaannya. Semakin besar luas permukaan, semakin banyak informasi yang dapat dienkripsi.
Ini berarti bahwa entropi lubang hitam sama sekali tidak nol, tetapi sebaliknya - sangat besar. Terlepas dari kenyataan bahwa cakrawala peristiwa relatif kecil dibandingkan dengan ukuran alam semesta, jumlah ruang yang diperlukan untuk merekam satu bit kuantum kecil, yang berarti bahwa jumlah informasi yang luar biasa dapat direkam di permukaan lubang hitam. Entropi meningkat, informasi dipertahankan, dan hukum termodinamika dipertahankan. Anda bisa bubar, bukan?
Bit-bit informasi yang proporsional dengan luas permukaan horizon peristiwa dapat dikodekan di permukaan lubang hitam.
Tidak juga. Intinya adalah, jika lubang hitam memiliki entropi, mereka juga harus memiliki suhu. Seperti objek lain dengan suhu, radiasi harus berasal dari mereka.
Seperti yang ditunjukkan oleh Stephen Hawking, lubang hitam memancarkan radiasi dalam spektrum tertentu (spektrum benda hitam) dan pada suhu tertentu, ditentukan oleh massa lubang hitam. Seiring waktu, radiasi energi ini menyebabkan hilangnya massanya oleh lubang hitam, menurut persamaan Einstein yang terkenal: E = mc ^ 2. Jika energi dipancarkan, ia pasti datang dari suatu tempat, dan "suatu tempat" itu pasti lubang hitam itu sendiri. Seiring waktu, lubang hitam akan kehilangan massanya lebih cepat dan lebih cepat, dan pada satu titik - di masa depan yang jauh - ia akan menguap sepenuhnya dalam kilatan cahaya yang terang.
Tetapi jika lubang hitam menguap dalam radiasi benda hitam, yang ditentukan hanya oleh massanya, apa yang terjadi pada semua informasi dan entropi yang terekam di cakrawala peristiwa? Lagi pula, Anda tidak bisa begitu saja menghancurkan informasi ini?
Inilah akar dari paradoks informasi lubang hitam. Lubang hitam harus memiliki entropi yang tinggi, yang mencakup semua informasi tentang pembuatnya. Informasi tentang benda yang jatuh terekam di permukaan cakrawala peristiwa. Tetapi ketika lubang hitam membusuk melalui radiasi Hawking, cakrawala peristiwa menghilang, hanya menyisakan radiasi. Radiasi ini, seperti yang dikatakan para ilmuwan, hanya bergantung pada massa lubang hitam.
Bayangkan kita memiliki dua buku - tentang omong kosong mutlak dan "The Count of Monte Cristo" - berisi jumlah informasi yang berbeda, tetapi massa identik. Kami melemparkannya ke dalam lubang hitam identik, yang kami perkirakan akan menerima radiasi Hawking yang setara. Bagi pengamat luar, segala sesuatu tampak seperti informasi sedang dihancurkan, dan mengingat apa yang kita ketahui tentang entropi, ini tidak mungkin, karena akan melanggar hukum kedua termodinamika.
Jika kita membakar kedua buku ini dengan ukuran yang sama, maka variasi dalam struktur molekul, urutan huruf di atas kertas, dan perbedaan kecil lainnya akan berisi informasi yang dapat digunakan untuk merekonstruksi informasi di dalam buku. Ini mungkin benar-benar berantakan, tetapi tidak akan pergi ke mana pun dengan sendirinya. Meskipun demikian, paradoks informasi lubang hitam adalah masalah nyata. Setelah lubang hitam menguap, tidak ada jejak informasi primordial ini yang tersisa di alam semesta yang dapat diamati.
Peluruhan simulasi lubang hitam tidak hanya menyebabkan emisi radiasi, tetapi juga peluruhan massa rotasi pusat, yang membuat sebagian besar objek tetap stabil. Lubang hitam adalah benda non-statis yang berubah seiring waktu. Namun, pada cakrawala peristiwa, lubang hitam yang terbentuk dari bahan yang berbeda harus menyimpan informasi yang berbeda.
Mungkin belum ada solusi untuk paradoks ini dan ini menghadirkan masalah serius bagi fisika. Namun demikian, ada dua opsi untuk kemungkinan solusinya:
1. Informasi hancur total selama penguapan lubang hitam, yang berarti hukum fisika baru dikaitkan dengan proses ini.
2. Radiasi yang dipancarkan entah bagaimana mengandung informasi ini, oleh karena itu, radiasi Hawking adalah sesuatu yang lebih dari yang diketahui sains.
Kebanyakan orang yang menangani masalah ini percaya bahwa pasti ada cara di mana informasi yang disimpan di permukaan lubang hitam "tercetak" dalam radiasi yang keluar. Namun, tidak ada yang tahu persis bagaimana ini terjadi. Mungkin informasi di permukaan lubang hitam memperkenalkan koreksi kuantum pada keadaan termal eksklusif radiasi Hawking? Mungkin, tapi belum terbukti. Saat ini ada banyak solusi hipotetis untuk paradoks ini, tetapi belum ada satupun yang dapat dikonfirmasi.
Paradoks informasi lubang hitam tidak bergantung pada apakah sifat alam semesta kuantum deterministik atau non-deterministik, interpretasi kuantum mana yang Anda sukai, apakah ada variabel tersembunyi dan banyak aspek lain dari sifat realitas. Dan meskipun banyak solusi yang diusulkan memasukkan prinsip holografik, masih belum diketahui apakah ia memainkan peran dalam solusi akhir paradoks.
Vladimir Guillen
