Saturday, May 29, 2021

The Black Hole War—My Battle with Stephan Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics

Author: Leonard Susskind
Publisher: Little Brown and Company 2008


In the 60s, Princeton Physicist Robert Dicke coined the term “Black Hole” for a “completely collapsed star”.  However, it was his colleague at Princeton, John Wheeler, who popularized the term Black Hole.  Wheeler famously said “Black Holes have no hair” to indicate it has only a mass and an angular momentum.  That is, a black hole is as smooth and featureless as a bold pate according to Wheeler.  


But, do people really understand what a black hole is?  


Ian Frazier who wrote the book “Travels in Siberia” states that a “black hole” entering Tunguska in 1908 was not possible because if that is the case, then there should have been an exit explosion on the other side of the Earth, in the north Atlantic.  I have no clue what he was talking about. 


David Reich who wrote the book “Who We are and How We Got Here—Ancient DNA and The New Science of the Human Past” says the following.


“At each place in the genome, if we trace back our lineages far enough into the past, we reach a point where everyone descends from the same ancestor, beyond which it becomes impossible to obtain any information about deeper time from comparisons of people living today.  From this perspective, the common ancestor at each point in the genome is like a black hole in astrophysics, from which no information about deeper time can escape.”  


Even David Reich, a Harvard geneticist, who changed his field of study from elementary particle physics to genetics, does not know what a black hole is.


Black Hole War started when Stephan Hawing stated that “information that falls into a black hole is lost information”.  Now this is a physicist who famously proved that black holes have entropy and black holes radiate away energy.  This radiation is known as the “Hawking radiation”.  All physicists believed Hawking except possibly two; Gerard ’T Hooft, and the author of this book, Leonard Susskind.  They argued that if that is the case, then that violates one of the major conservation laws of physics, the conservation of information.  


But, ’T Hooft and Susskind had no counter argument at the time, even though they knew that something was amiss.  The decades long quest for a proof that information is not lost in a black hole and finally convincing everyone including Hawking that information conservation is preserved in a black hole is the story of this book.  Apparently, Wheeler was wrong.  “Black holes have hair; plenty of it.”


The following is the gist of the Black Hole War story.


Information Conservation


If you know the present with perfect precision, then you can predict the future for all time and you can be absolutely sure of the past.  This mathematical reversibility of quantum mechanics (known as unitarity) is critical to its consistency.  Without it, quantum logic would not hold together.


The laws of quantum mechanics allow randomness to coexist with both energy conservation and information conservation.


The Plank Length, Plunk Time, and Plank Mass


The Plank length is about \(10^{-35}\) meters.  The plank time is about \(10^{-42}\) seconds.  The Plank mass is about \(10^{-8}\) kilograms.  Compared to other two units, Plank Mass is huge, roughly the mass of ten million bacteria.


The Plank time is the time it takes light to travel a Plank length.  Together the three units have an extraordinary meaning.  They are the size, half-life, and mass of the smallest possible black hole.  


A bit of information is a single irreducible unit of information.  A bit of information can be stored in a Plank length size cube.


Entropy


The entropy is a measure of how much information is hidden in the details—details that for one reason or another are too hard to observe.


Heat is the energy of random chaotic motion.  If a tub of water is cooled to absolute zero, then the location of each atom of the ice crystals are known.  There is no hidden information.  That means, the entropy is zero.  Now add a little bit of heat by warming the ice.  Molecules are beginning to juggle a bit.  We lost track of few molecules.  That means the entropy increases.


The temperature is the increase in the energy of a system when you add a one bit of entropy.  


Energy and entropy are not the same thing,  Energy takes many forms, but one of those forms is heat and heat is joined at the hip with entropy.


Black Holes have Temperature


Hawking found that if \(M\) is the mass of the black hole, then the temperature \(T\) of the black hole is given by


\(T=\frac{1}{16\pi^2}\frac{c^3h}{GMk}\),


where \(h\) is the Plank constant, \(G\) is the gravitational constant, \(c\) is the speed of light, and \(k\) is the Boltzmann constant.


That is, large black holes are colder.  Consider a stelar black hole with mass about \(10^{31}\) kg (about 5 times the mass of our star).  The temperature of this black hole is \(10^{-8}\) Kelvin.  That is, about 10 billionths of a degree above the absolute zero.  Nothing in natural world is that cold.  (The temperature of the inter-stelar space is about 3 degrees Kelvin.)


However, since a black hole has temperature, it has entropy.


Adding one bit of information to a black hole increases the area of the horizon by one square Plank unit.  (A one square Plank unit is about \(10^{-70}\) square meters.)  Now imagine building up a black hole bit by bit.  By the time the black hole is completed, the area of the horizon will be equal to the total number of bits hidden in the black hole.  That means, the entropy of a black hole is proportional to the area of the horizon.  (This fact was first realized by Jacob Bekenstein.)  Hawking proved that the entropy of a black hole is exactly one quarter of the area of the horizon measured in Plank units.


Alice and Bob


Suppose Alice decided to fall into a black hole and Bob observes her from a safe distance.  According to the Equivalence Principle of general relativity free falling Alice will not feel the effects of the black hole’s gravity.  She will feel nothing as she sails through the horizon.  Information is lost.  (She will feel the tidal forces when she gets near the horizon, but Bob cannot see anything beyond the horizon.)  On the other hand, Bob concludes that Alice getting heated and scrambled and stretched throughout the horizon according to the principles of quantum mechanics.  Every bit of information is accounted for.  But Alice is scrambled far beyond recognition.


The reason for the Bob’s observation is due to the temperature of the black hole.  Even though it is very small a photon which is always moving at a speed of light has to loose a lot of kinetic energy to escape.  By the time a high energy gamma ray that rises near the horizon, its energy is so depleted that the escaped ray is a very low-frequency radio wave.  Conversely, a radio wave observed by Bob must be a high-energy gamma ray when it left the horizon.  That is the same thing as saying it is very hot near the horizon.


So it appears that there is a contradiction.  General relativity and the Equivalence Principle says that information sails uninterrupted down through the horizon, quantum mechanics brings up the opposite conclusion: the in-falling bits, though badly scrambled, are eventually returned in the form of Hawking radiation.


This tension—the apparent inconsistency between the horizon as a surface packed densely with material bits and the horizon as a mere point of no return was the casus belli of the Black Hole War.


String Theory


The incompatibility of gravity and quantum mechanics was the stumbling block.  What was needed is a theory that has gravity and quantum mechanics coexisting harmoniously.  String theory was such a theory.  The plan of attack can be summarized as follows.


Take string theory to be the model of “some world” and then calculate whether or not information is lost in that world.  If the information is not lost in that world, then Hawking is wrong because he claimed that black holes must destroy information in any consistent world.


That is exactly what expired 20 or so years after the Hawking statement.  In the process, Black Hole Complementarity, The Holographic Principle, The Brain Worlds, Stretched horizon of a Black Hole were discovered.


This is a fascinating story of achieving a set goal and advancing and finding new ideas during the process.  The story is very well written and the physical explanations are exquisite.

Thursday, May 27, 2021

The Library Book

කතෘ: Susan Orleans

ප්‍රකාශක: Simon & Schuster 2019


අපි උසස් පෙළ හදාරන විට පාඩම් කිරීම සඳහා කොළඹ මහජන පුස්තකාලයට යන්නට පුරුදු වී සිට්යෙමු.  පරණ පුස්තකාලය තිබුනේ ඇල්බට් ක්‍රෙසන්ට් ග්‍රීන් පාත් හා හමුවන සන්ධිය අසල ඇල්බට් ක්‍රෙසන්ට් හිය.  ටෙනිසන් පෙරේරා විසින් ලියන ලද "දැති රෝදෙන් උපන් බුදුන්" නැමැති කෙටි කථාවේ සඳහන් වෙන්නේ මේ පරණ පුස්තකාලයයි.  එම කෙටි කතාවේ සඳහන් කැන්ටිම අසල සියඹලා ගස මට හොඳට මතකය.  පුස්තකාලයේ මහල් දෙකක් තිබූ අතර ඉහල මාලය පාඩම් කරන්නන් සඳහා වෙන් කර තිබුනේය.  උදෙන්ම නොගිය හොත් පුටුවක් අල්ලා ගැනීමට නොහැක.  පුස්තකාලය අරින වේලාවට පාඩම් කරන්නට පැමිණි ලමුන්ගේ දිග පෝලිමක් විය.  මේ පොත කියවද්දී මට කාලය සිහි විය.


1986 අප්‍රේල් 29 දා ලොස් ඇන්ජලීස් මහජන පුස්තකාලය ගින්නකින් විනාශ විය.  ලොස් ඇන්ජලීස් හී මුළු ගිනි නිවන හමුදාවම යොදවා තිබුනත් ගින්න පැය හතක් පුරා පැවති අතර ගින්න පැවති කාලය තුල පුස්තකාලය තුල උශ්ණත්වය ෆැරන්හයිට් 2000 ක් පමණ විය.  පොත් මිලියනකට වඩා විනාශ විය.  මෙය හිතා මතා ඇතිකල ගින්නක් ලෙස සැක කල ද, එවැනි සැකකරුවෙකු අත් අඩංගුවට ගත්තද, ඔහු විසින් මෙම ගින්න සිදුකල බව උසාවියක දී ඔප්පු කිරීමට නොහැකි විය.


මෙම පොත ලිවීමේ දී කතුවරිය උත්සාහ ගෙන ඇත්තේ නවීන පුස්තකාලයක් මගින් මහජනයාට සපයන පහසුකම් ගැන විස්තරයක් සැපයීමයි.  ඒ නවීන පහසුකම් කොලඹ පරණ පුස්තකාලයේ තිබූ පාඩම් කිරීමේ පහසුකම් හා පොත් හුවමාරු කිරීමේ පහසුකම් යන දෙකට වඩා හුඟාක් එහාට ගිය ඒවා බව නොකියා නොහැකිය.  ලංකා පුස්තකාලවලට මෙම පොතෙන් බොහොම වැදගත් නවීන අදහස් ගැන දැනුමක් ලබා ගත හැක.


මම මේ පොත නිර්දේශ කරමි.  (What I want to say is that “I recommend this book”.  This is the Google translation.)   


පොතේ ඇති සිත්ගන්නා සුළු කරුණු කිහිපයක් සඳහන් කරමින් මෙම සටහන සමාප්ත කරමි.


Another senior librarian I interviewed that day told me that seeing the library in ruins so traumatized her that she didn’t get her period for the next four months. (page 35)


Books were taken in refrigerated trucks to the food warehouses, where they were stored on racks between frozen shrimp and broccoli florets at an average temperature of 70 below 0. (page 36)


“I think that’s what finally turned Harry to being a gay.  Every time he got serious about a girl, something would happen.”  (page 48)


Sylva Monooghian became so depressed that she wore only white cloths fo the next several months, hoping that would help her feel pure again. (page 80)


The day Elvis Presley died, someone checked out all of the library’s Elvis records and never returned them. (page 86)


Movie studios were major book-pinching culprits.  Rather than simply checking out books they sent assistants to steal them. (Page 87)


In Senegal, the polite expression for saying someone died is to say his or her library has burned. (Page 92)


The first recorded instance of book burning was in 213 BC, when Chinese emperor Qin Shi Huang decided to incinerate any history books that contradicted his version of the past.  (page 96)


Library of Alexandria was destroyed for the last time in 640 AD.  When Caliph Omar, who led the Muslim invasion of Egypt, came upon the library, he told his generals that its contents either contradicted Koran, in which case they needed to be destroyed, or they supported the Koran, in which case they were redundant.  Either way, the library was doomed. (page 96)


In the thirteenth and fourteenth centuries, the pope ordered Jewish books to be collected and “cremated” (the choice of terms at the time) because he believed they spread anti-Catholic thought. (page 96)


In the mid-1500s, Hernan Cortes and his soldiers burned scores of Aztec manuscripts on the grounds that they contained black magic. (page 97)


Nazis destroyed an estimated hundred million books during their  twelve years in power. (page 97)


In the 1940s, a West Virginia schoolteacher named Mabel Riddle, with the support of the Catholic Church, began a campaign to collect and burn comic books because of their enthusiastic portrayal of crime and sex.  (page 101)


Ray Bradbury began working on a story he called “The fireman,” set in a fictional society that has outlawed books.  When he finished writing the book, Bradbury tried to come up with a better title that “The Fireman”.  He called the chief of the Los Angeles Fire Department and asked him the temperature at which paper burned.  The chief’s answer became the title of the book: Fahrenheit 451. (pages 104-105)


Richard Ramirez was looking for books on torture and astrology.  It turned out that Ramirez was the serial killer known as the Night Stalker and was sentenced to death for thirteen murders in Los Angeles. (Page 159)


Bobby Fischer, the chess master, used to come to the History Department regularly, carrying a heavy brown suitcase, but he generally kept to himself.  (page 159)


Viola Castro told me that some patrons do look at pornography, and the librarians leave them be unless it’s child pornography, which isn’t permitted. (page 241)


I attended an international conference about the future of libraries a few years ago, and everyone from Germany and Zimbabwe and Thailand and Colombia and everywhere in the world—found the challenge of homelessness and the library exasperating, intractable, unwinnable. (page 244)


“You can’t be eating in hear ma’am.”  “Oh, I’m not eating,” the woman said, “I’m snacking.” (page 245)


Not long ago, he made friends with a man from Sri Lanka, and he learned a lot about the country from him.  The man and his wife ended up moving back to Sri Lanka, but he stayed in touch with M and sent pictures of his house and neighborhood in Sri Jayawardenepura Kotte.  M did research on the country and liked what he learned.  When he retires, he planned to move there. (page 247)


I stepped into another portal to the future when I visited Cleveland and toured the headquarters of OverDrive, which is the largest digital content catalog for libraries and schools in the world.  (page 297)  


ලංකා පුස්තකාලත් OverDrive (Libby app) පාවිච්චි කිරීමට පටන් ගත යුතු බව මගේ හැඟීමයි.




මහාසාමි

කතෘ: සේපාලී මයාදුන්නේ
ප්‍රකාශක: ගොඩගේ 2015


මට අගනා ඵුස්ථක ගැන දැනුම් දීමට බොහෝ දෙනෙකු වෙත්.  එවුන් අතරෙනුත් නාරසිංහෙටම උගත් වංශවත් ඇත්තන් ගේ අදහස් උදහස් කෙසේවත් බැහැර කල නොහැක්කාය.  කොලොම්තොටේ නීල මානික්‍ය මැණිකේත්, වීරපිටියේ රටේ රාල උතුමාත්, ඉතා ඉහලින් වර්ණනා කල හෙයිනුත්, මගේ ඵුස්ථකාලයේ මෙම ඵුස්ථකය තිබූ බැවිනුත්, කියවීමට ගත් තෙනෙ. 


මුලින් මුලින් මැණිකේ ගේ හා රටේ රාල ගේ ප්‍රශංසා වල ඉමහත් සත්‍යතාවයක් ඇති බව වැටගෙන්නට සිද්ධ වුනාය.  ඒත් ඵුස්ථකයේ මැද භාගයේ සිට ඒකාකාරී බවක් දැනෙන්නට පටන් ගත් තෙනෙ. එකල් හී මේ පුස්ථකය පසෙකින් තබා වෙනත් ඵුස්ථක කියැවීමට හිත ඇදුනාය.  එහෙත් වරින් වර නැවත පැමිණ ඵුස්ථකය අවසානය දක්වාම කියැවීමෙහි යෙදුනාය.


මෙහි ඇති ඉතිහාසය මා නාරසිංහෙටම උගත්තත් කලින් අසා දුටු ඒවා නම් නොවේමය.  එහෙත් මෙම ඉතිහාස කථා තහවුරු කර ගැනීමට වෙනස් ඵුස්ථක මා ලඟ නැතුවාය. නීල මානික්‍ය මැණිකේත්, වීරපිටියේ රටේ රාල උතුමාත් මයාදුන්නේ කුමාරිහාමි ව ඉතා ඉහලින් වර්ණනා කල බැවින් එතුමිය පරියේශණ කොට මෙම ඵුස්ථකේ ලියන්නට ඇතුවාට සැක සංඛා තබා ගැන්ම අප වැනි නාරසිංහෙටම උගත් ඇත්තන්ට නුසුදුසුවාය.


මීට කලින් කියවා අහවර කරන්නට යෙදුණු, මෙම ඉතිහාසයේම අවසානය ගැන ලියැවුණු ඵුස්ථක වන අෂාඪ පුෂ්පය හා දූල්වල අලංකාරේ සිහියට එනවාය.  ගණේ උන්නාන්සේ අන්තිමට ගත්ත තීරණය නිවැරදියැයි මටත් වැටහුනාය.  


ඉංගිරීසීන් ගෙන් උගත් පරජන්තරාවාදය පරමාදර්ශී පාලන කරමයක් නොවන බව සැබෑවාය. ඒත් මේ ඵුස්ථකයෙන් එලිදරව් වන අසම්මත පාලන ක්‍රමයට වඩා පරජන්තරාවාදය දාහෙන් සම්පතක් බව මට ඒත්තු ගැන්වුන තෙනෙ.


මේ කාලේ ඉන්නා සමහර සිල්වත් සමාගමේ අයගේ හා ඒ කාලේ හිටි ගණේ ඇත්තන්ගේ පරම්පරාවේ අයගේ වෙනසක් සොයා ගන්නට නැතුවාය.  මායාදුන්නේ කුමාරිහාමි ගේ යටි අරමුණ මේ බැව් අපට ඒත්තු ගැන්වීම දෝ දැයි ද සිතුනාය.  තවත් සිල්වත් සමාගමක උත්පත්තිය ලබන්නට කාලය එලඹ ඇති බවද වැටහුනාය.


සිඬි රස්තු.

Trail of Lightning (2018), Storm of Locusts (2019)

කතෘ: Rebecca Roanhorse

ප්‍රකාශක: Saga Press 2019


රෙබෙක රෝන්හෝර්ස් “නවහෝ” (Navajo) ජාතික කාන්තාවකි.  ඔවුන් තමන් හඳුන්වන්නේ "ඩිනෙ" (Diné) ජාතිකයින් හැටියටයි.  ඔවුන්ගේ නිජ භූමිය "ඩිනෙටා" (Dinétah) යනුවෙන් හැඳින් වේ.  (Navajo යන වචනය ප්වෙබ්ලො (Pueblo) ජාතිකයින් විසින් ඩිනේ ජාතිකයන් හැඳින්වූ නමයි.)  ඩිනෙටා දැනට ඇති "කොලොරාඩෝ", "නිව් මැක්සිකෝ", "යූටා" හා "ඇරිzසෝනා" ප්‍රාන්ත අතර පැතිර ඇත.  ඩිනෙ ජාතිකයින්ගේ විශ්වාසය අනුව මේ ලෝකය මීට පෙර හතර වතාවක් විවිධ හේතු නිසා විනාශ වී ඇත.  දැන් පවතිනේ පස්වන ලෝකයයි.


පරිසර දූෂණය නිසා පස්වන ලෝකය විනාශ වෙන්නේ මුහුද ගොඩ ගැලීමෙනි.   ඩිනෙ ජාතිකයින් මෙය Big Water නමින් හඳුන්වයි.  Big Water නිසා ඇමරිකාවේ විශාල ප්‍රදේශයක් ජලයෙන් යට වී ඇති අතර දකුණින් ඩිනෙටා ලඟටම වතුර ගලා ඇත.  ඩිනෙටාව ආරක්ශාව සඳහා සිමා මායිම වටා විශාල තාප්පයක් ගොඩ නගා ඇත.  එහෙත් ඩිනෙටාව තුලම අමනුශ්‍යයින් ජීවත් වේ.  සමහර දෙවියන්ද ඩිනෙ මිනිසුන්ට විරුද්ධ ව කටයුතු කරයි.  මෙම බලගතු අමනුශ්‍යයින්ගෙන් ඩිනෙ ජනතාව බේරා ගැනීමට ඉදිරිපත් වන්නේ එවැනිම බලගතු හැකියාවන් ඇති ඩිනෙ තරුණියක් වන මැගී හොස්කි (Mggie Hoske) ය.  ඇයට උදව්වට එවැනි බලගතු හැකියාවක් ඇති තරුණයෙක් වන කායි අර්වීසෝ (Kai Arviso) එකතු වෙයි.  


මේ පොත් දෙක හයවන ලෝකය (6th world) ගැන කතුවරිය ලියන්නට බලාපොරොත්තු වන පොත් පෙලක (6th world series) පලමු පොත් දෙකයි.  මෙම කතාව හෝමර් (Homer) ගේ ඉලියඩ් (Iliad) ද, මෑඩ් මැක්ස් (Mad Max) චිත්‍රපටි පෙලද සිහි ගන්වයි.    ෆැන්ටසි ශානරයට අයත් වන මේ පොත් දෙකම රස වින්දෙමි.


මේ පොත් කියවන අතරේ ඩිනෙ ජාතිකයින් ගැනත් ඔවුන්ගේ සංස්කෘතිය ගැනත් වෙනම කියැවීමි.  ඩිනෙටා වෙත යෑමට උනන්දුවක්ද ඇති විය.


පසු සඳහන් වන්නේ මුල්පොතෙන් කොටසකි.


And with my need, Honágháahnii comes.  Like a streak of wild fire through my veins, churning through my muscles, turning me into something more than I am without it.  My eyesight sharpens.  My lungs expand.  And I fly, feet light, barely touching the ground.  Instinctively I dodge trees, leap felled branches and dense underbrush.  I am close to the monster too fast, in the millisecond between breaths.  I stutter step and then launch myself at his broad back.


Impact, and the three of us crash to the forest floor.  The girl goes flying from his arms as he smashes face-first into the ground.  Hi big body cushions my fall, giving me a moment of advantage that I take.  I roll, drawing my knife even as I get my legs under me.  I’m ready when the monster gets to his feet.