Paradoks informacji o czarnej dziurze - Black hole information paradox

Pierwsze zdjęcie (sylwetka lub cień) czarnej dziury, wykonane przez supermasywną czarną dziurę w M87 za pomocą Teleskopu Event Horizon , opublikowane w kwietniu 2019 roku.

Czarny informacje otwór paradoksu jest logiczna wynikające z połączenia mechaniki kwantowej i ogólnego wzgl . Obliczenia sugerują, że informacje fizyczne mogą trwale zniknąć w czarnej dziurze , pozwalając wielu stanom fizycznym przejść w ten sam stan. Jest to kontrowersyjne, ponieważ narusza podstawową zasadę współczesnej fizyki – że w zasadzie wartość funkcji falowej systemu fizycznego w jednym momencie powinna determinować jej wartość w innym czasie. Podstawowym postulatem kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej jest to, że pełna informacja o systemie jest zakodowana w jego funkcji falowej aż do załamania funkcji falowej . Ewolucja funkcji falowej jest determinowana przez operator unitarny , a unitarność oznacza, że ​​informacja jest zachowana w sensie kwantowym.

Odpowiednie zasady

W grze obowiązują dwie główne zasady:

  • Determinizm kwantowy oznacza, że ​​biorąc pod uwagę obecną funkcję falową, jej przyszłe zmiany są jednoznacznie określone przez operatora ewolucji.
  • Odwracalność odnosi się do faktu, że operator ewolucji ma odwrotność, co oznacza, że ​​przeszłe funkcje falowe są podobnie unikalne.

Połączenie tych dwóch oznacza, że ​​informacje muszą być zawsze zachowywane.

Począwszy od połowy lat siedemdziesiątych Stephen Hawking i Jacob Bekenstein wysunęli argumenty teoretyczne oparte na ogólnej teorii względności i kwantowej teorii pola, które nie tylko wydawały się niezgodne z zasadą zachowania informacji, ale które nie wyjaśniały utraty informacji i nie podawały żadnych powodów. . W szczególności obliczenia Hawkinga wykazały, że parowanie czarnej dziury przez promieniowanie Hawkinga nie zachowuje informacji. Obecnie wielu fizyków uważa, że zasada holograficzna (w szczególności dualizm AdS/CFT ) dowodzi, że wniosek Hawkinga był błędny i że informacje są w rzeczywistości zachowane. W 2004 roku Hawking przyznał się do swojego zakładu , zgadzając się, że parowanie czarnej dziury w rzeczywistości zachowuje informacje.

Promieniowanie Hawkinga

Główny artykuł: promieniowanie Hawkinga
Penrose'a schemat czarnego otworu, który tworzy i następnie całkowicie odparowują. Czas pokazany na osi pionowej od dołu do góry; przestrzeń pokazana na osi poziomej od lewej (promień zero) do prawej (promień rosnący).

W latach 1973-75 Stephen Hawking i Jacob Bekenstein wykazali, że czarne dziury powinny powoli emitować energię, co stanowi problem. Z twierdzenia o braku włosa można by oczekiwać, że promieniowanie Hawkinga będzie całkowicie niezależne od materiału wchodzącego do czarnej dziury. Niemniej jednak, gdyby materiał wchodzący do czarnej dziury był czystym stanem kwantowym , przekształcenie tego stanu w stan mieszany promieniowania Hawkinga zniszczyłoby informację o pierwotnym stanie kwantowym, przy czym informację definiuje się jako różnicę między gruboziarnistą (termiczną) entropią a drobnoziarnista (kwantowa, von Neumann) entropia. Narusza to prawo zachowania informacji, które odpowiada twierdzeniu Liouville'a w fizyce klasycznej iw ten sposób przedstawia fizyczny paradoks (patrz np. ).

Hawking był przekonany, że równania termodynamiki czarnych dziur wraz z twierdzeniem o braku włosa doprowadziły do ​​wniosku, że informacja kwantowa może zostać zniszczona. Zirytowało to wielu fizyków, zwłaszcza Johna Preskilla , który w 1997 roku założył się z Hawkingiem i Kipem Thorne'em, że informacje nie zostały utracone w czarnych dziurach. Konsekwencje, które otworzył Hawking, doprowadziły do ​​„bitwy”, w której Leonard Susskind i Gerard „t Hooft ” publicznie „wypowiedzieli wojnę” rozwiązaniu Hawkinga, a Susskind opublikował popularną książkę „ The Black Hole War” o debacie w 2008 roku. (Książka uważnie zauważa, że ​​„wojna” miała charakter czysto naukowy i że na poziomie osobistym uczestnicy pozostali przyjaciółmi). Rozwiązaniem problemu, który zakończył bitwę, jest zasada holograficzna , którą po raz pierwszy zaproponował „t Hooft”, otrzymał dokładną interpretację teorii strun Susskinda. W ten sposób „Susskind tłumi Hawkinga w kłótni o kwantową rozterkę”.

Istnieją różne pomysły na rozwiązanie tego paradoksu. Od czasu propozycji korespondencji AdS/CFT z 1997 r. wśród fizyków przeważa przekonanie, że informacja jest zachowywana i że promieniowanie Hawkinga nie jest dokładnie termiczne, ale otrzymuje poprawki kwantowe, które kodują informacje o wnętrzu czarnej dziury. Ten punkt widzenia uzyskał dalsze poparcie w 2019 r., kiedy naukowcy poprawili obliczenia entropii promieniowania Hawkinga w niektórych modelach i wykazali, że w późnych czasach promieniowanie to jest w rzeczywistości podwójne do wnętrza czarnej dziury. Inne możliwości obejmują informacje zawarte w szczątkach Plancka pozostawionych po zakończeniu promieniowania Hawkinga lub modyfikację praw mechaniki kwantowej, aby umożliwić niejednolitą ewolucję w czasie.

W lipcu 2004 roku Stephen Hawking opublikował artykuł przedstawiający teorię, że zaburzenia kwantowe horyzontu zdarzeń mogą umożliwić ucieczkę informacji z czarnej dziury, co rozwiązałoby paradoks informacyjny . Jego argument zakłada jedność korespondencji AdS/CFT, co oznacza, że czarna dziura AdS jest podwójna do termicznej teorii pola konforemnego . Ogłaszając swój wynik, Hawking zgodził się również z zakładem z 1997 roku, płacąc Preskillowi encyklopedią baseballową, „z której można pobierać informacje do woli”.

Według Rogera Penrose'a utrata unitarności w układach kwantowych nie stanowi problemu: pomiary kwantowe same w sobie są już niejednolite. Penrose twierdzi, że układy kwantowe w rzeczywistości nie będą już ewoluować w sposób jednolity, gdy tylko zacznie grać grawitacja, dokładnie tak jak w czarnych dziurach. Conformal Cykliczna Cosmology popierane przez Penrose'a krytycznie zależy od warunku, że informacja jest w rzeczywistości stracił w czarnych dziur. Ten nowy model kosmologiczny może w przyszłości zostać przetestowany eksperymentalnie poprzez szczegółową analizę kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB): jeśli to prawda, CMB powinien wykazywać kołowe wzory z nieco niższą lub nieco wyższą temperaturą. W listopadzie 2010 r. Penrose i VG Gurzadyan ogłosili, że znaleźli dowody takich kołowych wzorców w danych z sondy Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) potwierdzonych danymi z eksperymentu BOOMERanG . Znaczenie wyników było następnie dyskutowane przez innych.

Postulowane rozwiązania

  • Informacje stopniowo wyciekają podczas parowania czarnej dziury
    Zaleta: zgodne z odwracalnością, zgodnie z wymogami mechaniki kwantowej. Intuicyjnie pociągający, ponieważ jakościowo przypomina odzyskiwanie informacji w klasycznym procesie spalania.
    Wada: do niedawna sądzono, że to rozwiązanie wymaga dużego odchylenia od klasycznej i półklasycznej grawitacji (która na pierwszy rzut oka nie wydaje się umożliwiać wycieku informacji z czarnej dziury) nawet w przypadku makroskopowych czarnych dziur, dla których klasyczne i półklasyczne przybliżenia są oczekuje się, że będą dobrymi przybliżeniami. Jednak ostatnie odkrycia sugerują, że półklasyczna grawitacja rzeczywiście zapewnia mechanizm ucieczki informacji. Zobacz § Ostatnie wydarzenia . Łamie twierdzenie o nieukrywaniu się .
  • Informacje zostają bezpowrotnie utracone
    Zaleta: wydaje się być bezpośrednią konsekwencją stosunkowo niekontrowersyjnych obliczeń opartych na półklasycznej grawitacji .
    Wada: narusza jedność . (Banks, Susskind i Peskin twierdzili, że narusza to również zachowanie energii-pędu lub lokalność, ale argumentacja nie wydaje się słuszna dla systemów o dużej liczbie stopni swobody).
  • Informacje nagle uciekają podczas ostatniego etapu parowania czarnej dziury
    Zaleta: Znaczące odchylenie od klasycznej i półklasycznej grawitacji jest potrzebne tylko w reżimie, w którym oczekuje się, że wpływ grawitacji kwantowej będzie dominować.
    Wada: Tuż przed nagłą ucieczką informacji bardzo mała czarna dziura musi być w stanie przechowywać dowolną ilość informacji, co narusza ograniczenia Bekensteina .
  • Informacje są przechowywane w pozostałości wielkości Plancka
    Zaleta: Nie jest potrzebny żaden mechanizm ucieczki informacji.
    Wada: aby pomieścić informacje z jakiejkolwiek odparowanej czarnej dziury, pozostałości musiałyby mieć nieskończoną liczbę stanów wewnętrznych. Argumentowano, że możliwe byłoby wytworzenie nieskończonej ilości par tych pozostałości, ponieważ są one małe i nie do odróżnienia z perspektywy teorii efektywności energetycznej.
  • Informacje są przechowywane w dużej pozostałości
    Zaleta: Rozmiar pozostałości wzrasta wraz z rozmiarem początkowej czarnej dziury, więc nie ma potrzeby nieskończonej liczby stanów wewnętrznych.
    Wada: promieniowanie Hawkinga musi ustać, zanim czarna dziura osiągnie rozmiar Plancka, co wymaga naruszenia półklasycznej grawitacji w skali makroskopowej.
  • Informacje są przechowywane w dziecięcym wszechświecie, który oddziela się od naszego własnego wszechświata.
    Zaleta: Ten scenariusz jest przewidziany przez teorię grawitacji Einsteina-Cartana, która rozszerza ogólną teorię względności na materię z wewnętrznym momentem pędu ( spin ). Nie ma potrzeby naruszania znanych ogólnych zasad fizyki. Liczba wszechświatów nie podlega żadnym fizycznym ograniczeniom, chociaż można zaobserwować tylko jeden.
    Wada: Trudno jest przetestować teorię Einsteina-Cartana, ponieważ jej przewidywania znacznie różnią się od ogólnych-relatywistycznych tylko przy ekstremalnie wysokich gęstościach.
  • Informacja jest zakodowana w korelacjach między przyszłością a przeszłością
    Zaleta: Półklasyczna grawitacja jest wystarczająca, tzn. rozwiązanie nie zależy od szczegółów (wciąż nie do końca poznanej) grawitacji kwantowej .
    Wada: zaprzecza intuicyjnemu postrzeganiu natury jako bytu, który ewoluuje z czasem.

Ostatnie zmiany

W 2014 roku Chris Adami twierdził, że analiza wykorzystująca teorię kanałów kwantowych powoduje zniknięcie wszelkich pozornych paradoksów; Adami odrzuca analizę Susskinda komplementarności czarnych dziur, argumentując zamiast tego, że żadna kosmiczna powierzchnia nie zawiera zduplikowanej informacji kwantowej .

W 2015 roku Modak, Ortíz, Peña i Sudarsky argumentowali, że paradoks można rozwiązać, przywołując fundamentalne kwestie teorii kwantowej, często określane jako problem pomiaru mechaniki kwantowej. Ta praca została zbudowana na wcześniejszej propozycji Okon i Sudarsky dotyczącej korzyści obiektywnej teorii zawalenia w znacznie szerszym kontekście. Pierwotną motywacją tych badań była długotrwała propozycja Rogera Penrose'a, w której mówi się, że załamanie funkcji falowej jest nieuniknione w obecności czarnych dziur (a nawet pod wpływem pola grawitacyjnego). Eksperymentalna weryfikacja teorii zawalenia jest ciągłym wysiłkiem.

W 2016 roku Hawking i in. zaproponowali nowe teorie informacji wchodzącej i wychodzącej z czarnej dziury. Praca z 2016 r. zakłada, że ​​informacje są zapisywane w „miękkich cząstkach”, niskoenergetycznych wersjach fotonów i innych cząstkach, które istnieją w pustej przestrzeni o zerowej energii.

Znaczący postęp poczyniono w 2019 r., kiedy Penington i in. odkrył klasę półklasycznych geometrii czasoprzestrzeni, które zostały przeoczone przez Hawkinga i późniejszych badaczy. Obliczenia Hawkinga wydają się wskazywać, że entropia promieniowania Hawkinga wzrasta przez cały okres istnienia czarnej dziury. Jeśli jednak czarna dziura powstała ze znanego stanu (entropia zerowa), entropia promieniowania Hawkinga musi spaść z powrotem do zera po całkowitym wyparowaniu czarnej dziury. Peningtona i in. oblicz entropię za pomocą sztuczki z replikami i wykaż , że dla wystarczająco starych czarnych dziur należy rozważyć rozwiązania, w których repliki są połączone tunelami czasoprzestrzennymi . Włączenie tych geometrii tuneli czasoprzestrzennych zapobiega nieskończonemu wzrostowi entropii.

Wynik ten wydaje się rozwiązywać paradoks informacyjny, przynajmniej w prostych teoriach grawitacji, które rozważają. Chociaż repliki nie mają bezpośredniego znaczenia fizycznego, pojawienie się tuneli czasoprzestrzennych przenosi się na fizyczny opis systemu. W szczególności dla wystarczająco starych czarnych dziur można wykonać operacje na promieniowaniu Hawkinga, które wpływa na wnętrze czarnej dziury. Wynik ten ma wpływ na powiązany paradoks zapory i przypomina proponowaną rozdzielczość ER=EPR .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki