Eine einfache Möglichkeit, über die Entropie von Schwarzen Löchern nachzudenken, besteht darin, zu berücksichtigen, dass Entropie den Verlust an freier Energie - dh Energie, die für die Arbeit zur Verfügung steht - aus einem System darstellt. Es ist unnötig zu erwähnen, dass alles, was Sie in ein Schwarzes Loch werfen, nicht mehr verfügbar ist, um im weiteren Universum zu arbeiten.
Eine einfache Möglichkeit, über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (der Entropie) nachzudenken, besteht darin, zu berücksichtigen, dass Wärme nicht von einem kälteren Ort zu einem heißeren Ort fließen kann, sondern nur in die andere Richtung. Infolgedessen sollte jedes isolierte System schließlich einen thermischen Gleichgewichtszustand erreichen. Wenn Sie möchten, steigt die Entropie eines isolierten Systems mit der Zeit tendenziell an und erreicht einen Maximalwert, wenn dieses System ein thermisches Gleichgewicht erreicht.
Wenn Sie Entropie mathematisch ausdrücken, ist dies ein berechenbarer Wert, der mit der Zeit tendenziell zunimmt. In den siebziger Jahren drückte Jacob Bekenstein die Entropie des Schwarzen Lochs als ein Problem für die Physik aus. Zweifellos könnte er es viel besser erklären als ich, aber ich denke, die Idee ist, dass wenn Sie ein System mit einem bekannten Entropiewert plötzlich über den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs hinaus übertragen, es unermesslich wird - als ob seine Entropie verschwindet. Dies stellt eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik dar - da die Entropie eines Systems bestenfalls konstant bleiben oder häufiger zunehmen sollte, kann es nicht plötzlich so sinken.
Der beste Weg, dies zu handhaben, besteht darin, anzuerkennen, dass jede Entropie, die ein System besitzt, auf das Schwarze Loch übertragen wird, wenn das System hineingeht. Dies ist ein weiterer Grund, warum Schwarze Löcher eine sehr hohe Entropie aufweisen.
Dann kommen wir zum Thema Information. Der Satz Der schnelle braune Fuchs sprang über den faulen Hund ist ein hochentwickeltes System mit einer geringen Entropie. Wenn Sie 26 Kacheln aus einem Scrabble-Set herausziehen und ablegen, erhalten Sie ein zufällig angeordnetes Objekt mit einer hohen Entropie und Unsicherheit (soweit es möglich ist) von einer Milliarde möglichen Variationen).
Werfen Sie Ihre Scrabble-Kacheln in ein Schwarzes Loch - sie tragen den Entropiewert mit sich, mit dem sie begonnen haben -, der innerhalb des Schwarzen Lochs wahrscheinlich weiter zunimmt. In der Tat ist es wahrscheinlich, dass die Fliesen nicht nur unorganisierter werden, sondern tatsächlich innerhalb des Schwarzen Lochs in Stücke gerissen werden.
Nun gibt es in der Quantenmechanik ein Grundprinzip, das erfordert, dass Informationen nicht zerstört werden oder verloren gehen können. Es geht mehr um Wellenfunktionen als um Scrabble-Kacheln - aber bleiben wir bei der Analogie.
Sie verstoßen nicht gegen das Prinzip der Informationserhaltung, indem Sie ein Schwarzes Loch mit Scrabble-Kacheln füllen. Ihre Informationen werden nur auf das Schwarze Loch übertragen, anstatt verloren zu gehen - und selbst wenn die Kacheln in Stücke zerquetscht werden, sind die Informationen immer noch in irgendeiner Form vorhanden. Das ist in Ordnung.
Es gibt jedoch ein Problem, wenn in einem oder mehreren Jahren das Schwarze Loch über Hawking-Strahlung verdunstet, die aus Quantenfluktuationen am Ereignishorizont entsteht und keinen offensichtlichen kausalen Zusammenhang mit dem Inhalt des Schwarzen Lochs hat.
Eine derzeit bevorzugte Lösung für dieses Problem ist das holographische Prinzip - das darauf hindeutet, dass alles, was in das Schwarze Loch eintritt, einen Abdruck auf seinem Ereignishorizont hinterlässt -, sodass Informationen über den gesamten Inhalt des Schwarzen Lochs nur aus der Oberfläche des Ereignishorizonts abgeleitet werden können. - und jede nachfolgende Hawking-Strahlung wird auf Quantenebene durch diese Informationen beeinflusst - so dass es Hawking-Strahlung gelingt, Informationen aus dem Schwarzen Loch zu transportieren, wenn das Schwarze Loch verdunstet.
Zhang et al. Bieten einen anderen Ansatz an, um vorzuschlagen, dass Hawking-Strahlung über Quantentunnelung Entropie aus dem Schwarzen Loch transportiert - und da reduzierte Entropie reduzierte Unsicherheit bedeutet -, stellt dies einen Nettogewinn an Informationen dar, die aus dem Schwarzen Loch gezogen werden. Hawking-Strahlung transportiert also nicht nur Entropie, sondern auch Informationen aus dem Schwarzen Loch.
Aber ist das mehr oder weniger überzeugend als die Hologrammidee? Nun, das ist ungewiss ...
Weiterführende Literatur: Zhang et al. Eine Interpretation für die Entropie eines Schwarzen Lochs.
