Scientists work on the boundaries of the unknown, where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty. And nothing is more uncertain– or potentially enlightening– than a paradox. Throughout history, paradoxes have threatened to undermine everything we know, and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world. Today, one of the biggest paradoxes in the universe threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics: the black hole information paradox.
Bilim insanları, her yeni bilgi parçasıyla belirsizlik boşluğuna yol oluşturan, bilinmeyenin sınırları üzerinde çalışıyor. Ve hiçbir şey bir paradokstan daha belirsiz ya da potansiyel olarak daha aydınlatıcı değil. Tarih boyunca paradokslar, bildiğimiz her şeyi baltalamakla tehdit ettiler ve aynı sıklıkla dünyayı algılayışımızı yeniden şekillendirdiler. Bugün evrendeki en büyük paradokslardan birisi genel görelilik ve kuantum mekaniği alanlarının sırrını çözmekle tehdit ediyor: Kara delik bilgi paradoksu.
To understand this paradox, we first need to define what we mean by "information." Typically, the information we talk about is visible to the naked eye. For example, this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny. But physicists are more concerned with quantum information. This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple, such as their position, velocity and spin. Every object in the universe is composed of particles with unique quantum properties.
Bu paradoksu anlamak için öncelikle "bilgi" ile ne kastettiğimizi tanımlamamız gerek. Genel anlamda bahsettiğimiz bilgi, çıplak gözle görülebilir olan. Örneğin bu tarz bir bilgi bize elmanın kırmızı, yuvarlak ve parlak olduğunu söyler. Fakat fizikçiler kuantum bilgisi ile daha çok ilgilidirler. Bu da elmayı elma yapan konum, hız ve dönü gibi tüm zerrelerin kuantum özelliklerine gönderme yapar. Evrendeki her nesne eşsiz kuantum özelliklerine sahip parçacıklardan oluşur.
This idea is evoked most significantly in a vital law of physics: the total amount of quantum information in the Universe must be conserved. Even if you destroy an object beyond recognition, its quantum information is never permanently deleted. And theoretically, knowledge of that information would allow us to recreate the object from its particle components. Conservation of information isn’t just an arbitrary rule, but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built. But around black holes, those foundations get shaken.
Bu fikir en belirgin olarak hayati bir fizik yasasında akla gelmiştir: Evrendeki toplam kuantum bilgi miktarı korunmalıdır. Bir nesneyi tanınmayacak hale gelecek kadar tahrip etseniz bile kuantum bilgisi asla tamamen silinmez. Teorik olarak bu bilgi, nesneyi parçacık bileşenlerinden yeniden oluşturmamıza olanak tanır. Bilginin korunumu, nedensiz bir kural değil modern bilimin çoğunun inşa edildiği matematiksel bir gerekliliktir. Ancak kara deliklerin etrafındayken bu dayanaklar sarsılır.
When an apple enters a black hole, it seems as though it leaves the universe, and all its quantum information becomes irretrievably lost. However, this doesn’t immediately break the laws of physics. The information is out of sight, but it might still exist within the black hole’s mysterious void. Alternatively, some theories suggest that information doesn’t even make it inside the black hole at all. Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon. As the black hole’s mass increases, the surface of the event horizon increases as well. So it’s possible that as a black hole swallows an object, it also grows large enough to conserve the object’s quantum information. But whether information is conserved inside the black hole or on its surface, the laws of physics remain intact– until you account for Hawking Radiation.
Bir elma kara deliğe girdiğinde evrenden ayrılıyormuş gibi görünür ve tüm kuantum bilgisi geri dönüşü olmayan bir şekilde kaybolur. Oysa bu ille de fizik kurallarını kırdığı anlamına gelmez. Bilgi görüş alanı dışında ama hala kara deliğin gizemli boşluğunda var olabilir. Alternatif olarak bazı teoriler bilginin kara deliğin içine geçemediğini öne sürmektedir. Dışarıdan bakıldığında, elmanın kuantum bilgisi olay ufku denilen kara delik yüzey katmanında şifrelenmiş gibidir. Kara deliğin kütlesi arttıkça, olay ufkunun yüzeyi de artmaktadır. Kara delik bir nesneyi içine çektiğinde, nesnenin kuantum bilgisini de koruyacak kadar genişlemesi mümkündür. İster bilgi kara deliğin içinde, ister yüzeyinde saklansın Hawking ışınımı açıklanana kadar fizik yasaları geçerlidir.
Discovered by Stephen Hawking in 1974, this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating. Over incredibly long periods of time black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons. Critically, it seems as though the evaporating particles are unrelated to the information the black hole encodes– suggesting that a black hole and all the quantum information it contains could be completely erased.
Stephan Hawking tarafından 1974 yılında keşfedilen bu hadise, kara deliklerin yavaş yavaş buharlaştığını göstermektedir. Aşırı derecede uzun bir zaman diliminde, kara delikler olay ufuklarından uzaklara parçacık saçarken kütle kaybederler. Buharlaşan parçacıklar, kara deliğin şifrelediği bilgiyle alakasız gibi görünebilir. bu bir kara deliğin ve içerdiği tüm kuantum bilgisinin tamamen silinebileceğini gösterir.
Does that quantum information truly disappear? If not, where does it go? While the evaporation process would take an incredibly long time, the questions it raises for physics are far more urgent. The destruction of information would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms. But fortunately, in science, every paradox is an opportunity for new discoveries.
Kuantum bilgisi gerçekten kaybolur mu? Eğer kaybolmazsa nereye gider? Buharlaşma süreci inanılmaz derecede uzun sürse de, fizik açısından gündeme getirdiği sorular çok daha acildir. Bilginin tahrip olması, en temel bilimsel paradigmalarımızı yeniden yazmaya mecbur bırakabilir. Neyse ki bilimde her paradoks yeni keşifler için bir fırsattır.
Researchers are investigating a broad range of possible solutions to the Information Paradox. Some have theorized that information actually is encoded in the escaping radiation, in some way we can’t yet understand. Others have suggested the paradox is just a misunderstanding of how general relativity and quantum field theory interact. Respectively, these two theories describe the largest and smallest physical phenomena, and they’re notoriously difficult to combine. Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes will come naturally with a “unified theory of everything.” But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox is the holographic principle. Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon can store quantum information, this principle suggests that the very boundary of the observable universe is also a 2D surface encoded with information about real, 3D objects. If this is true, it’s possible that reality as we know it is just a holographic projection of that information.
Araştırmacılar Bilgi Paradoksu için geniş kapsamlı muhtemel çözümler araştırıyorlar. Bazıları bilginin henüz anlayamadığımız bir şekilde kaçan radyasyonda şifrelendiği teorisini sundu. Diğerleri paradoksun sadece genel görelilik ve kuantum alan teorisinin etkileşimine dair bir yanlış anlaşılma olduğunu ileri sürdü. Sırasıyla bu iki teori, en büyük ve en küçük fiziksel olayı tanımlıyor ve herkesin bildiği üzere birleştirilmeleri zor. Bazı araştırmacılar bunun ve diğer paradoksların çözümlerinin "her şeyin birleşmiş teorisi" ile doğal olarak geleceğini savunuyorlar. Bu paradoksu keşfederken karşılaşılan en akıl almaz teori muhtemelen holografik prensiptir. Bu prensip olay ufkunun 2B yüzeyinin kuantum bilgisini depolayabileceği fikrini genişleterek, gözlemlenebilir evrenin her sınırının da gerçek 3B nesneler hakkında bilgi şifrelenmiş 2B yüzeyler olduğunu öne sürer. Eğer bu doğru ise, bildiğimiz gerçekliğin o bilginin sadece holografik bir izdüşümü olması mümkün.
If proven, any of these theories would open up new questions to explore, while still preserving our current models of the universe. But it’s also possible that those models are wrong! Either way, this paradox has already helped us take another step into the unknown.
Bu teorilerden herhangi biri kanıtlanırsa, evrenin mevcut modelleri korunurken keşfedilecek yeni sorular doğuracaklar. Ancak bu modellerin yanlış olması da muhtemel! Her hâlükarda bu paradoks, bilinmeyene doğru bir adım daha atmamıza çoktan yardımcı oldu.