Информационный парадокс черной дыры - Black hole information paradox

Первое изображение (силуэт или тень) черной дыры, полученное сверхмассивной черной дырой в M87 с помощью телескопа Event Horizon , выпущенное в апреле 2019 года.

Черная дыра информации парадокс является головоломкой , в результате чего из комбинации квантовой механики и ОТО . Расчеты показывают, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре , позволяя многим физическим состояниям перейти в одно и то же. Это спорно, потому что это нарушает основной принцип современной физики - что, в принципе, значение волновой функции физической системы в один момент времени должно определять ее значение в любой другой момент. Фундаментальный постулат копенгагенской интерпретации квантовой механики состоит в том, что полная информация о системе закодирована в ее волновой функции до момента ее коллапса . Эволюция волновой функции определяется унитарным оператором , а унитарность означает, что информация сохраняется в квантовом смысле.

Соответствующие принципы

В игре есть два основных принципа:

  • Квантовый детерминизм означает, что для данной волновой функции ее будущие изменения однозначно определяются оператором эволюции.
  • Обратимость относится к тому факту, что оператор эволюции имеет обратный, что означает, что прошлые волновые функции одинаково уникальны.

Комбинация двух означает, что информация всегда должна быть сохранена.

Начиная с середины 1970-х годов Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн выдвинули теоретические аргументы, основанные на общей теории относительности и квантовой теории поля, которые не только оказались несовместимыми с сохранением информации, но и не учитывали потерю информации и не указывали ее причин. . В частности, расчеты Хокинга показали, что испарение черной дыры под действием излучения Хокинга не сохраняет информацию. Сегодня многие физики считают, что голографический принцип (в частности, двойственность AdS / CFT ) демонстрирует, что вывод Хокинга был неверен, и что информация фактически сохраняется. В 2004 году сам Хокинг признал сделанную ставку , согласившись с тем, что испарение черной дыры действительно сохраняет информацию.

Радиация Хокинга

Основная статья: излучение Хокинга
Пенроуза Диаграмма черной дыры , какие формы, а затем полностью испаряется прочь. Время показано на вертикальной оси снизу вверх; пространство показано на горизонтальной оси слева (нулевой радиус) направо (увеличивающийся радиус).

В 1973–75 годах Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн показали, что черные дыры должны медленно излучать энергию, что создает проблему. Исходя из теоремы об отсутствии волос , можно было бы ожидать, что излучение Хокинга будет полностью независимым от материала, попадающего в черную дыру. Тем не менее, если бы материал, попадающий в черную дыру, был чистым квантовым состоянием , преобразование этого состояния в смешанное состояние излучения Хокинга уничтожило бы информацию об исходном квантовом состоянии, причем информация определялась бы как разница между крупнозернистой (тепловой) энтропией и мелкозернистая (квантовая, фон Неймана) энтропия. Это нарушает закон сохранения информации, который соответствует теореме Лиувилля в классической физике, и, таким образом, представляет собой физический парадокс (см., Например).

Хокинг оставался убежденным, что уравнения термодинамики черной дыры вместе с теоремой об отсутствии волос привели к выводу, что квантовая информация может быть уничтожена. Это раздражало многих физиков, особенно Джона Прескилла , который в 1997 году поспорил с Хокингом и Кипом Торном, что информация не теряется в черных дырах. Последствия, которые открыл Хокинг, привели к «битве», в которой Леонард Сасскинд и Джерард Т Хоофт публично «объявили войну» решению Хокинга, а Сасскинд опубликовал популярную книгу « Война в черной дыре» о дебатах в 2008 году (книга). внимательно отмечает, что «война» была чисто научной, и что на личном уровне участники остались друзьями.) Решением проблемы, завершившей битву, является голографический принцип , который впервые был предложен 'т Хоофтом, но был дал точную интерпретацию теории струн Сасскиндом. Этим "Сасскинд подавляет Хокинга в ссоре из-за квантового затруднения".

Есть разные идеи о том, как разрешить парадокс. Начиная с предложения 1997 года о соответствии AdS / CFT , среди физиков преобладает убеждение, что информация сохраняется и что излучение Хокинга не является точно тепловым, но получает квантовые поправки, которые кодируют информацию о внутренней части черной дыры. Эта точка зрения получила дальнейшую поддержку в 2019 году, когда исследователи внесли поправки в вычисление энтропии излучения Хокинга в определенных моделях и показали, что в последнее время это излучение фактически двойственно внутренней части черной дыры. Другие возможности включают информацию, содержащуюся в планковском остатке, оставшемся после окончания излучения Хокинга, или модификацию законов квантовой механики, чтобы учесть неунитарную эволюцию во времени.

В июле 2004 года Стивен Хокинг опубликовал статью, в которой представил теорию о том, что квантовые возмущения горизонта событий могут позволить информации ускользать из черной дыры, что разрешило информационный парадокс . Его аргумент предполагает унитарности АдС / CFT соответствия , который подразумевает , что АдС черная дыра , которая является двойной к тепловой конформной теории поля . Объявляя свой результат, Хокинг также признал ставку 1997 года, заплатив Прескиллу бейсбольной энциклопедией, «из которой можно получить информацию по желанию».

По словам Роджера Пенроуза , потеря унитарности в квантовых системах не является проблемой: квантовые измерения сами по себе уже неунитарны. Пенроуз утверждает, что квантовые системы фактически больше не будут развиваться унитарно, как только в игру вступит гравитация, в точности как в черных дырах. Равноугольная Циклическая космология выступает Пенроуз критически зависит от состояния , что информация является фактически утраченным в черных дырах. Эта новая космологическая модель может быть в будущем проверена экспериментально путем подробного анализа космического микроволнового фонового излучения (CMB): если это правда, CMB должно иметь круговые структуры с немного более низкими или немного более высокими температурами. В ноябре 2010 года Пенроуз и В.Г. Гурзадян объявили, что они нашли доказательства таких круговых структур в данных, полученных с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), подтвержденных данными эксперимента BOOMERanG . Значимость результатов впоследствии обсуждалась другими.

Постулируемые решения

  • Информация постепенно просачивается во время испарения черной дыры
    Преимущество: соответствует обратимости, как того требует квантовая механика. Интуитивно привлекательный, потому что качественно напоминает восстановление информации в классическом процессе записи.
    Недостаток: до недавнего времени считалось, что это решение требует большого отклонения от классической и полуклассической гравитации (которая, на первый взгляд, не позволяет информации просачиваться из черной дыры) даже для макроскопических черных дыр, для которых применимы классические и полуклассические приближения. ожидается хорошее приближение. Однако недавние разработки показывают, что полуклассическая гравитация действительно обеспечивает механизм утечки информации. См. § Последние разработки . Нарушает теорему о запрете укрытия .
  • Информация безвозвратно потеряна
    Преимущество: кажется прямым следствием относительно однозначного расчета, основанного на полуклассической гравитации .
    Недостаток: нарушает унитарность . (Бэнкс, Сасскинд и Пескин утверждали, что это также нарушает закон сохранения энергии-импульса или локальность, но этот аргумент не кажется правильным для систем с большим числом степеней свободы.)
  • Информация внезапно ускользает на последней стадии испарения черной дыры
    Преимущество: значительное отклонение от классической и полуклассической гравитации необходимо только в режиме, в котором, как ожидается, будут преобладать эффекты квантовой гравитации .
    Недостаток: непосредственно перед внезапной утечкой информации очень маленькая черная дыра должна быть способна хранить произвольный объем информации, что нарушает границу Бекенштейна .
  • Информация хранится в остатке размером с Планк.
    Преимущество: не требуется никакого механизма для утечки информации.
    Недостаток: чтобы содержать информацию от любой испарившейся черной дыры, ее остатки должны иметь бесконечное количество внутренних состояний. Утверждалось, что можно создать бесконечное количество пар этих остатков, поскольку они малы и неотличимы с точки зрения эффективной теории низких энергий.
  • Информация хранится в большом остатке
    Преимущество: размер остатка увеличивается с размером исходной черной дыры, поэтому нет необходимости в бесконечном количестве внутренних состояний.
    Недостаток: излучение Хокинга должно прекратиться до того, как черная дыра достигнет планковских размеров, что требует нарушения полуклассической гравитации в макроскопическом масштабе.
  • Информация хранится в детской вселенной, которая отделяется от нашей собственной вселенной.
    Преимущество: этот сценарий предсказывается теорией гравитации Эйнштейна – Картана, которая расширяет общую теорию относительности на материю с собственным угловым моментом ( спином ). Никакого нарушения известных общих принципов физики не требуется. Нет никаких физических ограничений на количество вселенных, хотя только одна остается наблюдаемой.
    Недостаток: теорию Эйнштейна – Картана сложно проверить, поскольку ее предсказания существенно отличаются от общерелятивистских только при чрезвычайно высоких плотностях.
  • Информация закодирована в соотношениях между будущим и прошлым
    Преимущество: достаточно полуклассической гравитации , т. Е. Решение не зависит от деталей (все еще недостаточно изученных) квантовой гравитации .
    Недостаток: противоречит интуитивному взгляду на природу как на сущность, эволюционирующую со временем.

Недавние улучшения

В 2014 году Крис Адами утверждал, что анализ с использованием теории квантовых каналов приводит к исчезновению любого кажущегося парадокса; Адами отвергает проведенный Сасскиндом анализ дополнительности черных дыр, утверждая вместо этого, что никакая космическая поверхность не содержит дублированной квантовой информации .

В 2015 году Модак, Ортис, Пенья и Сударски утверждали, что парадокс можно устранить, обратившись к фундаментальным вопросам квантовой теории, которые часто называют проблемой измерения квантовой механики. Эта работа была основана на более раннем предложении Окон и Сударского о преимуществах объективной теории коллапса в гораздо более широком контексте. Первоначальной мотивацией этих исследований было давнее предложение Роджера Пенроуза, согласно которому коллапс волновой функции, как утверждается, неизбежен в присутствии черных дыр (и даже под влиянием гравитационного поля). Экспериментальная проверка теорий коллапса продолжается.

В 2016 году Хокинг и др. предложил новые теории информации, входящей и исходящей из черной дыры. В работе 2016 года утверждается, что информация сохраняется в «мягких частицах», низкоэнергетических версиях фотонов и других частицах, которые существуют в пустом пространстве с нулевой энергией.

Значительный прогресс был достигнут в 2019 году, когда Penington et al. открыл класс полуклассической геометрии пространства-времени, на которую не обращали внимания Хокинг и последующие исследователи. Расчет Хокинга, по-видимому, показывает, что энтропия излучения Хокинга увеличивается на протяжении всей жизни черной дыры. Однако, если черная дыра образовалась из известного состояния (нулевая энтропия), энтропия излучения Хокинга должна уменьшиться до нуля после полного испарения черной дыры. Penington et al. вычислить энтропию, используя трюк с репликами , и показать, что для достаточно старых черных дыр необходимо рассмотреть решения, в которых реплики соединены червоточинами . Включение этой геометрии червоточины предотвращает неограниченное увеличение энтропии.

Этот результат, кажется, разрешает информационный парадокс, по крайней мере, в простых теориях гравитации, которые они рассматривают. Хотя реплики не имеют прямого физического значения, внешний вид червоточин переносится на физическое описание системы. В частности, для достаточно старых черных дыр можно выполнять операции с излучением Хокинга, влияющие на внутреннюю часть черной дыры. Этот результат имеет значение для связанного парадокса межсетевого экрана и напоминает предложенное разрешение ER = EPR .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки