Как черните дупки консумират ентропия

Ваня Милева Последна промяна на 17 ноември 2023 в 00:00 7576 0

Илюстрация на двойка обикалящи една около друга черни дупки.

Кредит Caltech/R. Хърт (IPAC)

Илюстрация на двойка обикалящи една около друга черни дупки.

Ентропията е една от онези страховито дълбоки концепции, които формират ядрото на цели области на физиката (в този случай термодинамиката), която е трудно да се обясни на разбираем език. Един добър опит на астрофизика Пол М. Сътър (Paul M. Sutter) е публикуван в Universe Today.

Всеки път, когато видя думата ентропия, обичам да я заменям с фразата "преброяване на броя на начините, по които мога да пренаредя сценарий, като го оставя до голяма степен същия".

И това не изглежда просто, затова Сътър дава един близък на всеки пример:

"Ставате сутринта през уикенда и решавате най-накрая да се заемете с монументалната задача да почистите стаята си. Взимате, почиствате, сгъвате и прибирате дрехите си. Оправяте си чаршафите. Подреждате чекмеджето си за бельо. След часове труд се отдръпвате, за да се възхитите на работата си, но вече може би усещате натрупващото се  безпокойство в стомаха си. Не след дълго знаете, че отново ще бъде бъркотия.

Инстинктивно знаете това, защото има само един единствен начин да имате идеално подредена стая, с място за всичко и всичко на мястото си. Има само един начин да имате този точен сценарий. Може да кажете, че идеално чистата стая има много ниска ентропия.

Нека въведем малко безпорядък. Взимате един чорап и го хвърляте в стаята си. Сега е разхвърляно. И можее да поставите количествено измерима мярка на тази бъркотия. Вашият самотен чорап може да е на пода. Може да е на леглото. Може да стърчи наполовина от някое чекмедже. Има няколко начина, по които може да пренаредите този сценарий – появата на един неподреден чорап в стаята ви – като същевременно запазите общата картина същата. Ентропията е по-висока.

И тогава вашето куче, или вашите деца, или вашето куче и деца нахлуват в стаята. Настъпва хаос. Нищо не е там, където трябва да бъде и има почти краен брой начини да се постигне същото ниво на безпорядък. Ентропията – и разочарованието – са наистина много високи.

Физиците харесват използването на ентропия, защото тя също така служи като удобен начин за кодиране на информацията в система. Така че чрез измерване на ентропията – количество, с което физиците боравят много удобно – те могат да овладеят количеството информация в една система.

Това се отнася за всяка система във Вселената, като черните дупки.

В началото на 1981 г. физикът Джейкъб Бекенщайн (Jacob Bekenstein) открива два забележителни, неинтуитивни факта за черните дупки и техните хоризонти на събитията. Първо, обемът, съдържащ се в черните дупки, представлява абсолютно най-голямото количество ентропия, което всеки обем с подобен размер във Вселената може да има.

Казано по друг начин, черните дупки са сфери с максимална ентропия. Колкото и разхвърляна да става стаята ви, колкото и умишлено или непреднамерено да увеличавате нейната ентропия, никога, никога не можете да победите ентропията на черна дупка с размерите на стая. Този факт трябва веднага да повдигне някои тревожни, но интригуващи въпроси. От всички прекрасни творения във Вселената, защо природата е избрала черните дупки да съдържат най-много ентропия? Това просто съвпадение ли е или това ни учи на нещо ценно за връзката между квантовата механика, гравитацията и информацията?

Вторият факт за черните дупки, открит от Бекенщайне, че когато добавите информация към черна дупка, тя става по-голяма. Това само по себе си не е изненадващо, но черните дупки – и само черните дупки – растат по такъв начин, че тяхната повърхност, а не обемът им, нараства пропорционално на количеството нова информация, преминаваща в тях.

Ако вземете която и да е друга система във Вселената – звезда, която поглъща планета, вие поглъщате чийзбургер – ентропията и информацията на комбинираната система се повишават. Както и обемът (както за звездата, така и за вас). И обемът се увеличава пропорционално на увеличаването на количеството информация.

Но черните дупки, по някаква причина, която все още не сме разбрали, се противопоставят на тази интуитивна картина на здравия разум."

Границата на Бекенщайн Във физиката границата на Бекенщайн е горна граница на ентропията или количеството информация, която може да се съдържа в даден ограничен регион на пространството, който има крайно количество енергия; или, от друга страна, максималното количество информация, необходимо за идеално описание на дадена физическа система до квантово ниво. Това означава, че информацията за физическа система или информацията, необходима за идеалното описание на система, трябва да бъде ограничена, ако системата заема ограничено пространство и има ограничена енергия.

От гледна точка на компютърните науки, това означава, че има максимална скорост на обработка на информацията (граница на Бремерман) за физическа система, която има крайни размери и енергия, и че машина на Тюринг с крайни физически размери и неограничена памет е физически неосъществима.

Бекенщайн показва, че максималната ентропия, свързана с едно тяло, се постига, когато то се трансформира в черна дупка. С други думи, когато границата на Бекенщайн бъде достигната, информационният носител претърпява гравитационен колапс, превръщайки се в черна дупка.

Според границата на Бекенщайн ентропията на черна дупка е пропорционална на броя на областите на Планк, които са необходими, за да покрие хоризонта на събитията на черната дупка.

Източник: How Black Holes Consume Entropy, Paul M. Sutter/Universe Today

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !