פרדוקס השמדת המידע

פרדוקס השמדת המידע, המוכר גם בתור פרדוקס המידע (באנגלית: Information Paradox), הוא פרדוקס פיזיקלי, לפיו מידע הטמון בחומר שנכנס לתוך חור שחור עלול להיעלם בעקבות תהליך ה"התאדות" של חורים שחורים, המכונה "קרינת הוקינג".

מקור הפרדוקס
חלקיק שנמצא במצב קוונטי מוגדר כנושא מידע. על-פי תורת הקוונטים, התפתחות של מערכת קוונטית בזמן מאופיינת תמיד על ידי טרנספורמציה אוניטרית, אשר מעצם טבעה משמרת מידע.

משפט האין-שיער קובע ששלושת הפרמטרים היחידים של החור השחור, שאותם ניתן למדוד מחוץ לאופק האירועים, הם מסה, תנע זוויתי ומטען. לכן, אם החלקיקים המרכיבים את החור השחור נשאו מידע נוסף לפני שנכנסו לתוכו, הרי מידע זה אמור להיות בתוך החור השחור. יש להוסיף שהתהליך הקוונטי של קרינת הוקינג, שבמהלכו מסת החור השחור קטנה, אינו מוציא מידע מחוץ לחור השחור, משום שהחלקיקים המרכיבים קרינה זו נמצאים במצב קוונטי מעורב (מצב השקול לבחירה אקראית בין כל המצבים הקוונטיים האפשריים).

כל עוד החור השחור קיים אנו יכולים להניח שהמידע נמצא בתוכו, אולם עם התאדותו הסופית על ידי פליטת קרינת הוקינג, נשאלת השאלה לגבי מיקום הימצאותו של המידע. אם המידע נעלם, אז לפנינו תהליך לא-אוניטרי ובלתי הפיך, אשר איננו אפשרי על-פי תורת הקוונטים.

דוגמה
נניח שקיימים שני כוכבים מסיביים שאינם טעונים. אחד מורכב מחומר בצורת אטומים רגילים והשני מורכב מאנטי-חומר בצורת אנטי-חלקיקים. אם שני הכוכבים עוברים קריסה כבידתית אז ייווצרו שני חורים שחורים זהים שצופה חיצוני לא יוכל להבדיל ביניהם. כל עוד החורים השחורים קיימים, נוכל להניח כי המידע לגבי הרכבם מצוי פנימה לאופק האירועים, וצופה חיצוני אשר יכול למדוד רק את המסה, את התנע הזוויתי ואת המטען שלהם, יקבל עבור שניהם תוצאות מדידה זהות.

על פי הבנתנו את קרינת הוקינג, היא לא נושאת מידע, ולכן גם היא לא תעזור להבדיל בין "כוכב החומר" ל"כוכב האנטי-חומר". תהליך פליטת קרינת הוקינג יגרום לחורים השחורים להיעלם לחלוטין כעבור זמן מסוים, ונשאלת השאלה אם המידע לגבי הרכבם המקורי של הכוכבים אבד. תשובה חיובית לשאלה זו, הנגזרת מתיאור התהליך, מנוגדת לדרך בה אנו מבינים את מהותם של תהליכים קוונטיים בתור תהליכים משמרי מידע.

מצב המחקר כיום
מזה שנים ידוע שגרסאות מסוימות של תורת המיתרים, הידועות בתור "התאמת AdS/CFT" מציעות פתרונות לפרדוקס. הפתרון שמתקבל הוא שאופק האורעים של חור שחור משמר את המידע שנבלע בחור השחור, ועל כן חלקיקים וירטואליים הנוצרים על אופק האירועים כוללים את המידע, וקרינה שלהם מחוץ לחור השחור - קרינת הוקינג - נושאת עימם את המידע שכביכול אבד. אבל פתרון זה אינו מקובל מפני שהוא תלוי בנוכונותן של תורות אלו - נכונות שאינה מוכחת ומחייבת נכונות של העיקרון ההולוגרפי באופן שאינו מתיישב עם הידוע לנו.

לאחרונה (2022) עלתה אפשרות מעניינת לפתרון הפרדוקס. אם מיישמים את עקרון סכום של היסטוריות, עקרון שמקורו בתורת השדות הקוואנטית השמרנית והמקובלת, על התיאור של יחסות כללית להתנדפות של חור שחור, וכוללים בהיסטוריות (כך גם נעשה בתורת השדות הקוואנטית) גם אפשרויות הכוללות חורי תולעת וירטואליים, מתקבל שהמידע אינו מושמד ונפלט בקרינת הוקינג. אפשרות זו מציגה אותן תוצאות של התאמת AdS/CFT אך ללא הצורך בתורת המיתרים. חורי התולעת מכונים וירטואליים מפני שלמרות שהם כלולים בחישוב, הם לא קיימים בתוצאה - בדומה לחלקיקים וירטואליים.

ההתערבות של הוקינג
הפיזיקאי ג'ון פרסקיל, הטוען כי המידע איננו אובד, התערב על כך בשנת 1997 כנגד סטיבן הוקינג וקיפ תורן. לפי נוסח ההתערבות, על המפסיד למסור למנצח אנציקלופדיה שממנה "ניתן לשלוף מידע על פי הצורך". בשנת 2004 הודה הוקינג בהפסד, אולם הוא לא נימק את השינוי בעמדתו בצורה נהירה. הוקינג שלח לפרסקיל כפרס את האנציקלופדיה של הבייסבול. נכון ל-2014, נותר תורן איתן בעמדתו.
כיום ישנם מדענים שטוענים שהוקינג הרים ידיים מוקדם מדי, ארבעה חוקרים: פוליצ’ינסקי ממכון קוולי, ויחד עמו אחמד אלמחיירי, דונלד מרולף וג’יימס סולי מאוניברסיטת קליפורניה, שמו לעצמם לפני כשנה  מטרה לברר את העניין. להפתעתו גילה הצוות, שעל פי חוקי הפיזיקה הידועים הם מגיעים לסתירה בשאלת המידע, וזהו בדיוק “פרדוקס חומת האש”. חישוביהם הראו שהמידע הנפלט מהחור השחור אינו עולה בקנה אחד עם אופק האירועים התוחם אותו. במקומו מצויה אי-רציפות בוואקום שמתגלה כחלקיקים אנרגטיים - מעין חומת אש - המסתתרת בתוך החור השחור. משמעות קיומה האפשרי של חומת אש היא שאופק האירועים, שעל פי תורת היחסות הכללית הוא מרחב ריק, הוא מקום מיוחד שאיננו מתנהג לפי עקרונותיו של איינשטיין .

ראו גם
 חור שחור
 השערת הצנזורה הקוסמית

קישורים חיצוניים
גדעון לב, סטיבן הוקינג ניסח פרדוקס לפני עשרות שנים. פיזיקאית מישראל מצאה מפתח לפתרון, באתר הארץ, 24.11.2021
 נוסח ההתערבות

הערות שוליים

חורים שחורים
השמדת המידע