Aaron Horowitz/Getty Images
Tre tall.
Bare tre tall – det er alt som skal til for å fullstendig, utvetydig, 100 prosent beskrive et svart hull i generell relativitet. Hvis jeg forteller deg massen, elektrisk ladning og spinn (dvs. vinkelmomentum) til et sort hull, er vi ferdige. Det er alt vi noen gang vil vite om det og alt vi noen gang trenger for å beskrive funksjonene.
Disse tre tallene lar oss beregne alt om hvordan et sort hull vil samhandle med omgivelsene, hvordan objekter rundt det vil reagere på det, og hvordan det sorte hullet vil utvikle seg i fremtiden.
På tross av alle deres voldsomme gravitasjonsevner og deres vanhellige eksotiske natur, er sorte hull overraskende enkle. Hvis jeg gir deg to sorte hull med nøyaktig samme masse, ladning og spinn, ville du ikke kunne skille dem fra hverandre. Hvis jeg byttet plass uten at du så, ville du ikke vite at jeg gjorde det.
Dette betyr også at når du ser et fullformet sort hull, aner du ikke hva som har laget det. Enhver kombinasjon av masse presset inn i et tilstrekkelig lite volum kunne ha gjort jobben. Det kunne ha vært den ultratette kjernen til en døende stjerne. Det kunne ha vært et ekstremt tett kull med bedårende kattunger som ble klemt inn i glemselen.
Så lenge massen, ladningen og spinn er den samme, er historien irrelevant. Ingen informasjon om det originale materialet som skapte det sorte hullet overlever. Eller gjør det?
Grunnleggende charter
“Informasjon” er et litt lastet begrep; det kan ta ulike definisjoner avhengig av hvem du spør og hvilket humør de er i. I fysikk er informasjonsbegrepet tett knyttet til vår forståelse av hvordan fysiske systemer utvikler seg og hvordan vi konstruerer våre fysikkteorier.
Vi liker å tro at fysikk er et relativt nyttig paradigme for å forstå universet vi lever i. En av måtene fysikk er nyttig på er dens prediksjonskraft. Hvis jeg gir deg en liste over all informasjon om et system, burde jeg kunne bruke mine lover og teorier om fysikk for å fortelle deg hvordan systemet vil utvikle seg. Det motsatte er også sant. Hvis jeg forteller deg tilstanden til et system nå, kan du kjøre all regnestykket bakover for å finne ut hvordan systemet kom til sin nåværende tilstand.
Disse to konseptene er kjent som determinisme (Jeg kan forutsi fremtiden) og reversibilitet (Jeg kan lese fortiden) og er ganske mye den grunnleggende kjernen i fysikk. Hvis våre fysikkteorier ikke hadde disse egenskapene, ville vi ikke kunne få gjort mye arbeid.
Disse to konseptene gjelder også for kvantemekanikk. Ja, kvantemekanikk setter strenge grenser for hva vi kan måle om universet, men det betyr ikke at alle spill er avslått. I stedet kan vi ganske enkelt erstatte en skarpt definert klassisk tilstand med en mer uklar kvantetilstand og gå videre med livene våre; kvantetilstanden utvikler seg i henhold til Schrödinger-ligningen, som opprettholder både determinisme og reversibilitet, så vi er alle bra.
Informasjon går ikke tapt når du brenner en bok; det er bare kryptert.
Denne en-to-punchen av determinisme og reversibilitet betyr at, når det gjelder fysikk, må informasjon bevares under enhver prosess. Den kan verken opprettes eller ødelegges – hvis vi skulle legge til eller fjerne informasjon med vilje, ville vi ikke være i stand til å forutsi fremtiden eller lese fortiden. Ethvert tap eller gevinst betyr at det enten mangler informasjon eller ekstra informasjon, så all fysikk vil smuldre til støv.
Det er mange prosesser som vises å ødelegge informasjon, men det er bare fordi vi ikke følger nøye nok med. Ta for eksempel brenning av en bok. Hvis jeg ga deg en haug med aske, ville dette se ut til å være irreversibelt: Det er ingen måte du kan sette boken sammen igjen. Men hvis du har et tilstrekkelig kraftig mikroskop til rådighet (og mye tålmodighet) og får se meg i ferd med å brenne boken, kan du – i det minste i prinsippet, som er godt nok – se og spore bevegelsen til hvert eneste molekyl i prosessen. Du kan deretter reversere alle disse bevegelsene og alle disse interaksjonene for å rekonstruere boken. Informasjon går ikke tapt når du brenner en bok; det er bare kryptert.
I det tradisjonelle, klassiske synet på sorte hull er ikke all denne virksomheten om informasjon noe problem i det hele tatt. Informasjonen som gikk med til å bygge det sorte hullet er ganske enkelt låst bort bak hendelseshorisonten – enveisgrensen ved overflaten til det sorte hullet som gjør det så unikt. Når du først er der, vil informasjonen aldri bli sett i dette universet igjen. Enten det sorte hullet ble dannet av døende stjerner eller knuste kattunger, gjør det ikke praktisk talt saken. Informasjonen blir kanskje ikke ødelagt, men den er permanent skjult for våre nysgjerrige øyne.