ปฏิทรรศน์ข้อมูลของหลุมดำ

ปริศนา

ในฟิสิกส์ควอนตัม มีหลักสำคัญข้อหนึ่งว่าข้อมูลไม่มีวันสูญหาย ถ้ารู้สถานะของระบบในปัจจุบันอย่างสมบูรณ์ ก็ย้อนคำนวณได้เสมอว่าในอดีตเป็นอย่างไร แม้แต่หนังสือที่ถูกเผาไหม้ ในทางทฤษฎีข้อมูลก็ยังอยู่ในควัน ความร้อน และเถ้าถ่าน แค่กู้คืนได้ยากมาก

ในปี ค.ศ. 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง แสดงว่าหลุมดำแผ่รังสีออกมาเล็กน้อยจากผลทางควอนตัมใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ (รังสีฮอว์คิง) และค่อย ๆ ระเหยหายไปในที่สุด แต่การคำนวณของเขาบอกว่ารังสีนี้เป็นความร้อนแบบสุ่มล้วน ๆ ไม่ขึ้นกับว่าอะไรตกลงไปในหลุมดำ ถ้าหลุมดำที่เกิดจากหนังสือหนึ่งล้านเล่ม กับหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์ ระเหยกลายเป็นรังสีแบบเดียวกันทุกประการ ข้อมูลก็ต้องหายไปจากเอกภพ ซึ่งขัดกับหลักของกลศาสตร์ควอนตัมโดยตรง

ทำไมจึงสำคัญ

ปริศนานี้เป็นจุดที่ทฤษฎีที่ดีที่สุดสองทฤษฎีของฟิสิกส์ คือสัมพัทธภาพทั่วไปกับกลศาสตร์ควอนตัม ขัดแย้งกันอย่างชัดเจน การไขปริศนานี้จึงอาจเป็นกุญแจสู่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่นักฟิสิกส์ตามหามานาน

แนวทางการแก้

• ในปี ค.ศ. 1997 ฮอว์คิงพนันกับนักฟิสิกส์จอห์น เพรสกิลล์ ว่าข้อมูลสูญหายจริง แต่ต่อมาในปี ค.ศ. 2004 ฮอว์คิงยอมรับว่าข้อมูลน่าจะไม่สูญหาย และมอบสารานุกรมเบสบอลให้เพรสกิลล์ตามเดิมพัน เพราะสารานุกรมเป็นสิ่งที่ "ดึงข้อมูลออกมาได้ตามต้องการ"
• หลักการโฮโลกราฟี เสนอว่าข้อมูลทั้งหมดของสิ่งที่อยู่ในหลุมดำอาจถูกบันทึกอยู่บนพื้นผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ และค่อย ๆ ถูกปล่อยออกมากับรังสีอย่างละเอียดอ่อน
• ในปี ค.ศ. 2012 มีข้อเสนอเรื่อง "กำแพงไฟ" ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งยิ่งทำให้ปริศนาซับซ้อนขึ้น
• งานวิจัยตั้งแต่ปี ค.ศ. 2019 ใช้วิธีคำนวณใหม่แสดงว่าข้อมูลน่าจะเริ่มออกมากับรังสีฮอว์คิงตั้งแต่ช่วงกลางอายุของหลุมดำ ซึ่งนักฟิสิกส์จำนวนมากมองว่าเป็นความก้าวหน้าสำคัญ แต่ยังไม่มีคำอธิบายที่สมบูรณ์ว่าข้อมูลออกมาได้อย่างไร

ควรรู้ด้วยว่ารังสีฮอว์คิงจากหลุมดำจริงอ่อนมาก หลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิต่ำกว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังมาก ปัจจุบันจึงดูดกลืนพลังงานมากกว่าที่แผ่ออก และต้องใช้เวลานานกว่าอายุเอกภพอย่างมหาศาลกว่าจะระเหยหมด