Математическата загадка на ентропията: Какво ни учат черните дупки за Вселената

Е нтропията е една от онези страховито дълбоки концепции, които формират ядрото на цели области на физиката (в този случай на термодинамиката), която за съжаление е толкова математически сложна, че е трудно да се обясни на разбираем език. Но ще опитаме.

"Всеки път, когато видя думата ентропия, обичам да я заменям с фразата „преброяване на броя начини, по които мога да пренаредя един сценарий, като го оставя до голяма степен същия“. Съгласен съм, това е малко дълго, така че ще се придържаме към термина ентропия", каза Пол М. Сътър, теоретичен космолог и професор-изследовател в Института за напреднали компютърни науки към университета Стоуни Брук.

Astrophysicist: Black Holes Actually Consume Entropy https://t.co/wRubUayMq6

— ScienceAlert (@ScienceAlert) November 20, 2023

Ставате сутринта през уикенда и решавате най-накрая да се заемете с монументалната задача да си почистите и подредите спалнята.

Чистите, сгъвате и прибирате дрехите си. Оправяте си чаршафите. Тупате си възглавниците. Подреждате чекмеджето за бельо.

След часове усилия се заемате с почивка, за да се порадвате на работата си, но започвате да усещате нарастващото чувство на безпокойство в стомаха си. Защото знаете, че не след дълго хаосът отново ще ви застигне.

Вие инстинктивно знаете това, защото има само един единствен начин да имате идеално подредена стая и всичко да е винаги на мястото си.

"Има само един начин точно този сценарий да ви се случи. Тъй като вече сте запознати с термина, можете да се чувствате свободни да го използвате като кажете, че идеално чистата стая има много ниска ентропия", каза проф. Сътър.

Сега нека въведем малко безпорядък. Взимате един чорап и го хвърляте в стаята си. Вече е разхвърляно.

Можете да поставите количествено измерима мярка на тази разхвърляност. 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 можете да осъществите 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 безкраен брой начини да се постигне същото ниво на безпорядък.

Ентропията и разочарованието, вече са наистина много високи.

Физиците харесват използването на ентропия, защото тя служи също и като удобен начин за кодиране на информацията в система.

Така че чрез измерване на ентропията – количествена мярка, с която физиците боравят много удобно - те също могат да разберат количеството информация в дадена система.

Това се отнася за всяка система във Вселената, каквито са и черните дупки.

В началото на 1981 г. физикът Джейкъб Бекенщайн откри 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. Нека вникнем в това.

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 тази стая. Този факт веднага повдига някои тревожни, но интригуващи въпроси.

От всички прекрасни творения във Вселената, защо природата е избрала черните дупки да съдържат най-много ентропия? Това само съвпадение ли е или ни учи на нещо ценно за връзката между квантовата механика, гравитацията и информацията?

Това чувството на безпокойство и вълнение трябва да се засили, когато научите втория факт за черните дупки, открит от Бекенщайн. Когато добавите информация към дадена 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, навлизаща 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 при звездата, така и при вас)", каза проф. Сътър.

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 зависимост", посочи проф. Сътър.

Тази статия е публикувана първоначално от Universe Today.