Wprowadzenie
Pragnę was zabrać w paradoksalną podróż.
Paradoks informacji, czyli co "wie" czarna dziura?
Powszechnie wiadomo, że czarna dziura to taki obiekt, z którego nic nie może się wydostać, nawet światło. A co dzieje się z informacją (np. masa, ładunek, pęd), którą niesie ze sobą materia wpadająca do czarnej dziury? Czy również zostaje utracona?
W myśl zasady mechaniki kwantowej znajomość stanu końcowego układu fizycznego pozwala zrekonstruować stan początkowy - mechanika kwantowa jest odwracalna. W oczywisty sposób własności czarnych dziur łamią tę podstawową zasadę. Mamy do czynienia z paradoksem - z jednej strony prawa przyrody gwarantują zachowanie informacji - z drugiej zaś wiemy, że czarna dziura pochłania i niszczy wszystko, co znajdzie się wystarczająco blisko niej i nie mamy możliwości odzyskania niczego.
Jeszcze w 1976 roku profesor Stephen Hawking wykazał, że powstająca czarna dziura musi emitować promieniowanie, przez co zmniejsza swoją masę. Po upływie dostatecznie długiego czasu wypromieniuje całą swoją energię i zniknie. Wszelka informacja zostaje zniszczona. Sam Hawking przyjmował taką postawę, chociaż gdyby faktycznie miał rację, zostałaby naruszona zasada zachowania energii.
Kluczem do rozwiązania tej zagadki może być teoria strun i kwantowa teoria grawitacji. Istnieje hipoteza mówiąca o tym, że dla obserwatora zewnętrznego materia wpada do czarnej dziury, ale nie zostaje przez nią pochłonięta - jak gdyby zatrzymuje się w obszarze horyzontu zdarzeń. Dodatkowo materia ulega spłaszczeniu w kierunku ruchu (efekty zgodne z teorią względności Einsteina). Natomiast dla obserwatora, który przekroczył już granicę horyzontu zdarzeń, nie dzieje się nic szczególnego, nie jest w stanie nawet zarejestrować tego momentu, dopóki nie osiągnie punktu w osobliwości. Zewnętrzny obserwator natomiast widzi całą materię, która kiedykolwiek została przechwycona przez horyzont zdarzeń i w nim "zamrożona".
Według teorii strun, każde ciało fizyczne zbudowane jest ze strun o długości 10-33 cm. W myśl tej teorii horyzont zdarzeń zawiera całą masę czarnej dziury w postaci gigantycznej sieci strun. Informacja o obiekcie fizycznym nie zostaje więc pochłonięta przez czarną dziurę, tylko zatrzymana przez horyzont zdarzeń, a w końcu oddana w postaci promieniowania Hawkinga.
Wybitny brytyjski fizyk, Stephen Hawking, twierdzi, że mylił się w kwestii zachowania się czarnych dziur w debacie, która miała miejsce 30 lat temu.
. Obecnie uważa, że czarne dziury są skonstruowane w ten sposób, że informacja ma szansę wydostania się z nich.
Nowe odkrycia Hawkinga prawdopodobnie mogą pomóc rozwiązać tak zwany paradoks informacyjny czarnej dziury, jedną z ważniejszych zagadek współczesnej fizyki.
Profesor Hawking nie ujawnił jeszcze matematycznego aparatu, który stoi za nowym pomysłem, ale pojawiły się już pierwsze przecieki co do niego pochodzące z grupy seminaryjnej profesora na University of Cambridge. Gary Gibbons, jeden z uczestników seminarium, powiedział, że nowa definicja czarnej dziury zaproponowana przez Hawkinga nie posiada wyraźnie zarysowanego horyzontu zdarzeń, który ukrywa wszystko, co znajduje się we wnętrzu czarnej dziury przed dostrzeżeniem z zewnątrz.
"Mozliwe, że to, co Hawking zaprezentował na seminarium, jest gotowym rozwiązaniem," - powiedział Gibbons wywiadzie dla czasopisma New Scientist. - "Jednak moim zdaniem kwestia jeszcze nie jest zamknięta."
"Zwykło się uważać, że jak już coś wpadło do czarnej dziury, to już tam pozostanie, a jedyną informacją jest jej masa i spin, jednak pewien czas temu odkryłem, że czarne dziury wcale nie są takie czarne, jak się wydawało. Emitują one coś, co określa się mianem promieniowania Hawkinga. Wskutek tego procesu nastepuje spadek masy obiektu, więc możliwe staje się ewentualność jego zaniku."
"Promieniowanie Hawkinga jest raczej zmienne i pozbawione cech szczególnych, więc wydaje się, że całość informacji o tym, co znalazło się w czarnej dziurze jest utracona."
Ale powyższe stwierdzenie prowadzi do sprzeczności z prawami mechaniki kwantowej, które opisują zachowanie Wszechświata w najmniejszej skali. Prawa te stanowią, że informacja nie może być całkowicie zagubiona. Gdyby informacja ulegała całkowitej destrukcji, pociągałoby to za sobą niezwykle istotne konsekwencje praktyczne, a nawet i filozoficzne.
Przez lata fizycy prowadzili spory na temat tego, że czarne dziury w jakiś sposób omijają praw fizyki kwantowej. Nowa koncepcja czarnej dziury eliminuje ten problem, pozwalając poprzez emisję promieniowania uzyskać pewne informacje.
"Czarne dziury początkowo wydają się jedynie powstawać, ale w późniejszym stadium uwalniają informacje dotyczące uwięzionej materii, możemy zatem w pewien sposób dowiedzieć się nieco o przeszłości i przyszłości."
Najzabawniejsze jest w całej sprawie to, że pomyłka będzie kosztować Hawkinga pół encyklopedii. Trzydzieści lat temu Hawking wraz ze swoim kolegą Kipem Thorem założyli się z John'em Preskill'em w kwestii słuszności teorii czarnych dziur. Teraz trzaba będzie się rozliczyć z przegranego zakładu.
Polski akcent, wypowiedź dr Jezierskiego
Paradoks informacyjny czarnych dziur
Jak oceniają niektórzy badacze, Stephen Hawking rozwiązał tzw. paradoks informacyjny czarnych dziur, a tym samym usunął sprzeczność pomiędzy mechaniką kwantową (dział fizyki opisujący świat atomowy) a teorią grawitacji.
Rzeczywistość okazała się jednak bardziej prozaiczna. Jak odkrył, informacja z czarnej dziury powraca bowiem do swojego wszechświata, ale w zniekształconej i nierozpoznawalnej formie.
Osiągnięcie astrofizyka jest oceniane jako duży krok naprzód w teorii grawitacji kwantowej. Na konferencji Hawking powiedział: Pracowałem nad tym problemem od trzydziestu lat. Wspaniale było go rozwiązać, nawet jeśli wynik nie okazał się tak ekscytujący, jak się spodziewałem".
"Wszysko rozgrywa się w głowie"
Najnowsze odkrycie Hawkinga jest bardzo istotne dla fizyki - ocenia w rozmowie dr Jacek Jezierski z Katedry Metod Matematycznych w Fizyce UW. To jeden z fundamentalnych problemów. To podstawy fizyki - podkreśla. Zwraca jednak uwagę, że o tym, czy Hawking ma rację, będzie można przekonać się w najbliższym czasie, po dalszych badaniach.
W fizyce teoretycznej wszystko rozgrywa się w głowie i w komputerze. Tu nie potrzeba żmudnych, długoletnich eksperymentów - zaznaczył dr Jezierski.
(to tak jak za czasów Sokratesa
)
Przy rozważaniach czarny dziur należy też wziąć pod uwagę tzw.paradoks wszechmocy
filozofia i logika daje na ciekawy ogląd podejścia do problemu czarnych dziur i świadomości, jako bytu stwórczego naszej rzeczywistości.Pisarz naukowy James Gleick w swojej biografii o Richardzie Feynmanie zwrócił uwagę, że paradoks ten wyniknął, kiedy naukowcy zaczęli rozpatrywać istnienie atomów: czy byt wszechmogący - w tym przypadku Bóg Chrześcijan - mógłby stworzyć atomy, których on sam nie mógłby podzielić?
Paradoks omnipotencji (paradoks wszechmocy)
Czy byt wszechmogący mógłby stworzyć kamień tak ciężki, że nawet on sam nie mógłby go podnieść?
Pomimo pewnych wad, powyższe zapytanie jest najbardziej znaną, i najczęściej analizowaną formą tego paradoksu.
Niektórzy filozofowie twierdzą, że paradoks omnipotencji jest dowodem na niemożliwość istnienia takiej istoty. Inni natomiast, że ten paradoks powstał jedynie z niezrozumienia lub złego opisu pojęcia omnipotencji. Co więcej, niektórzy filozofowie uznali, że założenie, że dana istota jest albo wszechmocna, albo nie, czyni dylemat fałszywym, jako że nie dopuszcza możliwości istnienia różnych stopni omnipotencji.
Można starać się również rozwiązać ten paradoks przez przedstawienie postulatu, że omnipotencja niekoniecznie wymaga, aby móc zrobić wszystko przez cały czas. Tak więc, może on wnioskować:
1. Byt ten może stworzyć kamień, którego nie może podnieść w tym momencie.
2. Jednak, będąc wszechmogącym, byt ten może zawsze później zredukować wagę kamienia lub dać sobie dodatkową siłę, tak aby była zdolna go unieść. Dlategoż byt ten jest wciąż prawowicie wszechmogący.
Ponadto, czy taka sytuacja narzuca wymogi bytowi omnipotentnemu: np. aby później zmniejszył on wagę kamienia - ograniczając tym samym wolną wolę tego bytu?
Jakkolwiek, taka odpowiedź nie pozwala rozwiązać paradoksu omnipotencji sformułowanego w innej formie: Czy byt wszechmogący mógłby stworzyć kamień, którego nigdy nie mógłby podnieść?
Jeśli zdefiniować wszechmoc jako cechę bytów, które są w stanie wykonać każdą pojedynczą czynność, to paradoks omnipotencji nie zachodzi. Według tej definicji wszechmogący jest w stanie stworzyć kamień, którego nigdy nie mógłby podnieść. Dokonując takiego czynu pozbawiłby się on wszechmocy i nie mógłby przez to ani w następnej (ani żadnej innej) czynności podnieść kamienia.
Podążając za przemyśleniami Stephena Hawkinga na temat stosunków pomiędzy bóstwem stworzycielem a prawami naturalnymi, można by zmodyfikować tę klasyczną postać, jak poniżej:
1. Byt wszechmogący tworzy wszechświat, w którym obowiązują zasady fizyki arystotelejskiej.
2. Czy w tym wszechświecie ten byt wszechmocny może stworzyć kamień, którego nie będzie mógł podnieść?
Jeśli byt jest zasadniczo wszechmogący, wówczas można rozwiązać ten paradoks:
1. Byt wszechmogący jest z zasady wszechmogący, toteż niemożliwe jest dla niego, aby był niewszechmogący.
2. Ponadto, byt wszechmogący nie może zrobić tego, co jest logicznie niemożliwe.
3. Stworzenie kamienia, którego byt wszechmogący nie mógłby podnieść, byłoby niemożliwością, ergo zrobienie takiej rzeczy nie jest wymagane dla tego bytu.
4. Byt wszechmogący nie może stworzyć takiego kamienia, ale pomimo tego wciąż zachowuje swoją wszechmoc.
Takie podejście koniecznie akceptuje pogląd, że nawet istota wszechmogąca nie może pogwałcić praw logiki, a nawet cały ten paradoks może być postrzegany jako mocny argument dla takiego poglądu.
Ale prawdziwym paradoksem jest to:
Filozof Nicolas Everitt zachęca do rozpatrzenia istoty "nic nie mogącej" ("nullipotentnej"), dla której logicznie niemożliwe jest zrobić cokolwiek. Przyjąwszy założenie, że istota wszechmogąca nie może zrobić tego, co jest logicznie niemożliwe, wówczas istota "nullipotentna" musi być rozpatrywana jak(o) istota wszechmogąca.
Niektórzy filozofowie utrzymują, że paradoks może być rozwiązany przy zastosowaniu Kartezjańskiego poglądu na definicję omnipotencji, że byt wszechmogący może zrobić to, co jest logicznie niemożliwe:
1. Istota wszechmogąca może zrobić to, co jest logicznie niemożliwe.
2. Istota taka tworzy kamień, którego nie może podnieść.
3. Istota ta podnosi ten kamień.
Przypuszczalnie istota taka mogłaby także przeprowadzić dodawanie 2 + 2 = 5 i sprawić, że byłoby to matematycznie poprawne, albo stworzyć kwadratowe koło. Jak to ujął Harry Frankfurt, "Jeśli byt wszechmogący może dokonać tego, co jest logicznie niemożliwe, to może nie tylko stworzyć sytuacje, z którymi sobie nie może poradzić, ale, co więcej, ponieważ nie jest związany ograniczeniami logiczności, to może poradzić sobie z sytuacjami, z którymi nie może sobie poradzić".
Jednak takie usiłowanie rozwiązania tego paradoksu jest problematyczne w tym, że ta definicja rezygnuje z logicznej konsekwencji. Paradoks może zostać rozwiązany, jednak na niekorzyść uznania logiki za bezużyteczną, daremną albo bez znaczenia w definiowaniu tego typu istot, skoro takie istoty przekraczają (transcendują) logikę.
Według niektórych badaczy tego tematu, potrzeba metajęzyka do definicji znaczenia i tylko języki wyższego rzędu mogą rozwiązać sprzeczność logicznej niemożliwości. Pomimo wszystko, sama logika formalna nie jest meta-językiem i nie pozwala na rozstrzygnięcie uzasadnionych (lub nie) przedstawianych argumentów.
Więc czym są czarne dziury? może końcem początku lub początkiem końca
Szukanie odpowiedzi to podróż, w niewiadomym kierunku
Podstawowa jednostka informacji
Po pierwsze musimy sobie uświadomić, czym tak naprawdę jest informacja. Jest to twór abstrakcyjny, niematerialny (jeśli nie wierzysz, to odpowiedz, ile waży informacja, jaka jest w dotyku, jaki ma kolor, jak smakuje?). Przy komunikacji nie mamy bezpośrednio do czynienia z informacją, lecz z symbolami, którym tę informację przypisujemy. Dla przykładu weźmy język polski. Słowo "samolot" jest tylko ciągiem odpowiednio ze sobą połączonych dźwięków, którym nadaliśmy określone znaczenie. Również pismo to zbiór znaków, linii, które odpowiednio odczytujemy (interpretujemy przypisaną im informację).
Zatem informacja zawarta jest w symbolach - kojarzymy informację z odpowiednimi symbolami takimi jak słowa, pismo, gesty, znaki umowne (wg teorii Shannona z informacją mamy do czynienia zawsze wtedy, gdy występuje przepływ energii od nadawcy do odbiorcy - jest to definicja najbardziej ogólna). Wynika stąd wniosek, iż do przekazywania informacji potrzebujemy symboli - nośników informacji. Takim symbolem może być bit.
Bit przyjmuje dwie postacie, które (również umownie) oznaczamy odpowiednio cyfrą 0 i 1. Wyobraźmy sobie, iż cyfra 0 jest jednym symbolem, a cyfra 1 drugim (bo w rzeczywistości tak jest). Posiadamy zatem dwa symbole, którym możemy nadać dowolne, pożądane znaczenie. Jeden bit pozwoli nam przekazać informację o dwóch różnych zdarzeniach.
Przykład:
W pokoju hotelowym zainstalowany jest czujnik pożarowy. Czujnik ten łączy się z centralką za pomocą przewodu. Jeśli w pomieszczeniu jest normalna temperatura, to czujnik nie przesyła przewodem prądu. Zinterpretujmy to jako stan 0 - brak pożaru. Jeśli jednak wykryty zostanie ogień, to czujnik prześle przewodem prąd elektryczny. Zinterpretujmy to jako stan 1 - pożar. Czujnik i centralka komunikują się za pomocą informacji jednobitowej. Ich język składa się tylko z dwóch symboli:
0 - brak pożaru
1 - pożar
Jeden bit to za mało, aby efektywnie kodować informację. Na szczęście możemy sobie w prosty sposób poradzić łącząc bity w grupy. Grupę taką traktujemy jak jeden symbol złożony. Poniższa tabelka przedstawia wszystkie symbole 1, 2, 3 i 4 bitowe:
Jeśli słowo binarne złożone jest z jednego bitu, to można z niego zbudować tylko dwa symbole 0 i 1 (kolor różowy w tablicy).
W przypadku wiadomościami tkstowej będą to litery. W alfabecie łacińskim jest ich 26: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz. Każda literka musi być kodowana innym symbolem binarnym. Musimy określić zatem niezbędną liczbę bitów tworzących te symbole. W tym celu wykorzystujemy drugi z podanych wzorów i otrzymujemy:
[log2(26 - 1) + 1] = [log225 + 1] = [4,64 + 1] = [5,64] = 5 bitów
5 bitów tworzy 32 symbole. Nam potrzebne jest 26, zatem 6 symboli nie zostanie wykorzystanych.
Dwa bity dają nam już cztery różne symbole (kolor zielony): 00, 01, 10 i 11.
Dalej trzy bity pozwalają utworzyć 8 różnych symboli (kolor niebieski), a 4 bity 16 symboli.
Zauważcie, iż zwiększenie długości słowa bitowego o jeden bit podwaja liczbę możliwych do utworzenia symboli.
