مقدمة في مفارقة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود

تقدم هذه المقالة مقدمة سريعة لمفارقة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود . للإيجاز ، تم حذف بعض التفاصيل. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الفهم الحالي للمشكلة مربك للغاية بحيث لا يمكن اعتبار الجزء الأخير من المقالة موثوقًا به أو مستقرًا.


التين. 1

نظريتان متضاربتان

يعتقد أن رياضيات نظرية الكم ، التي تسمى أحيانًا "ميكانيكا الكم" ، تحكم جميع العمليات الفيزيائية في الطبيعة. يمكن استخدامه ليس للتنبؤ بأحداث محددة ، ولكن فقط للحصول على احتمال حدوث شيء ما. لكن الاحتمالات لا تكون منطقية إلا إذا جمعت كل الاحتمالات لجميع النتائج المحتملة المختلفة وحصلت على مبلغ يساوي واحد. إن النظرية الكمية التي لا تكون فيها هذه هي الحالة لا معنى لها. إحدى نتائج هذا أنه في نظرية الكم لا يتم فقدان المعلومات أو نسخها أبدًا ؛ من حيث المبدأ ، يمكنك دائمًا تحديد مكان بدء النظام (حالته الأولية) ، والحصول على معلومات كاملة حول ما انتهى (الحالة النهائية). في الشكل. 1 يوضح اصطدام جزأين والهروب من مكان اصطدام العديد من الجسيمات التي تحمل ، في شكل مشفر ، معلومات حول طبيعة وخصائص الجسيمين الأصليين.

النظرية العامة للنسبية هي نظرية أينشتاين عن الجاذبية ، حيث يمكن اعتبار الجاذبية بمثابة تأثير انحناء المكان والزمان. GR ليست نظرية كمومية. تتنبأ بدقة بما سيحدث ، ولا تعطي احتمالية حدوث نتائج مختلفة.

من عام 1915 إلى عام 1958 ، تطور الفهم تدريجيًا بحيث تحولت الأجسام الصغيرة والضخمة للغاية إلى ثقوب سوداء. بالقرب منهم ، تصبح الجاذبية قوية بشكل غير عادي - لدرجة أن الزمكان مشوه للغاية ، وأي جسم قريب جدًا منه ويعبر أفق الثقب الأسود - سطح اللاعودة - لا يمكنه الهروب. في الشكل. يوضح الشكل 2 تشكيل أفق ثقب أسود في اللحظة التي تصبح فيها قشرتان من المادة مضغوطة بما فيه الكفاية. تتحرك المعلومات حول هاتين القذيفتين داخل الأفق ولا يمكن الخروج - في GR.


التين. 2

لاحظ أنه من المستحيل رسم الثقوب السوداء والمعلومات الموجودة بداخلها بشكل صحيح. إن رسوماتي التوضيحية غير قادرة على إظهار انحناء الزمكان. على سبيل المثال ، من أجل الفهم الكامل ، يجب أن تأخذ في الاعتبار أن الساعة داخل الثقب الأسود تختلف تمامًا عن الساعة خارج الأفق ، والتي بدورها لا تسير مثل الساعة البعيدة. لا تأخذي رسوماتي على محمل الجد ، حيث توضح الجانب المفاهيمي ، ولكن ليس الجانب التقني.

الأفق ليس شيئًا ، ولكن مكانًا يصبح بعده الهروب مستحيلًا. التشابه المعروف هو قارب يقترب من شلال على طول مجرى سريع. عندما يمر القارب منحنى اللا عودة (الشكل 3) ، يصبح محركه غير قادر على محاربة التيار ، وسوف يسقط حتما. لكن قبطان القارب لن يلاحظ اللحظة التي يمر فيها المنحنى - هذا مجرد جزء عادي من النهر ، تتضح أهميته فقط عندما يحاول القبطان تجنب كارثة. بنفس الطريقة ، عبور الأفق في GR ، لن تلاحظ أي شيء ؛ فقط عندما تحاول تجنب الثقب الأسود ستجد أن - أوه - اقتربت أكثر من اللازم.


التين. 3

مفارقة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود

نشأت المفارقة بعد أن أظهر هوكينج في 1974-1975 أن الثقب الأسود الذي تحيط به الحقول الكمومية سوف ينبعث منه جزيئات (إشعاع هوكينج) ويتقلص (الشكل 4) ، مما يؤدي إلى التبخر. قارن مع الشكل 2 ، حيث عالقة معلومات حول قذيفتين داخل ثقب أسود. في الشكل. 4 يختفي الثقب الأسود. أين ذهبت المعلومات؟ إذا اختفت مع ثقب أسود ، فهذا ينتهك نظرية الكم.


التين. 4: 1) يتم ضغط قذائف المادة ؛ 2) يتم تشكيل الأفق ، ويظهر إشعاع هوكينج (على شكل جسيمات بدون كتلة أو كتلة صغيرة ، على سبيل المثال ، الفوتونات أو النيوترينو أو الجاذبية) ؛ 3) يأخذ إشعاع هوكينغ الطاقة ، مما يتسبب في تقلص حجم الثقب الأسود وكتلته ؛ 4) في النهاية ، يختفي الثقب الأسود تمامًا ، تاركًا إشعاع هوكينج فقط. ببساطة ، تختفي المعلومات التي سقطت في الثقب الأسود ، منتهكة مبادئ نظرية الكم. هل من الضروري تغيير نظرية الكم؟

ربما عادت المعلومات بإشعاع هوكينج؟ المشكلة هي أن المعلومات لا يمكنها الهروب من الثقب الأسود. لا يمكنها الدخول في إشعاع هوكنج ، إلا من خلال نسخ ما تبقى في الداخل. لكن وجود نسختين من المعلومات ، واحدة بالداخل والأخرى بالخارج ، تنتهك أيضًا نظرية الكم.


التين. 5: إذا تم نسخ المعلومات إلى إشعاع هوكينج ، فهذا ينتهك نظرية الكم.

بالطبع ، قد تكون النقطة هي أن نظرية الكم غير مكتملة ، وأن فيزياء الثقوب السوداء تجبرنا على توسيعها ، لأن آينشتاين وسع قوانين نيوتن بنظريته النسبية. هذا ما آمن به هوكينج لمدة ثلاثين عامًا.

مبدأ التكامل: حفظ نظرية الكم

ومع ذلك ، يعتقد البعض الآخر أنه ليس من الضروري تغيير نظرية الكم ، ولكن النظرية النسبية العامة. في عام 1992 ، تم اقتراح "مبدأ التكامل" ، والذي بموجبه تكون المعلومات بمعنى ما ، سواء داخل أو خارج ، دون انتهاك نظرية الكم. تم تطوير الافتراض من قبل Sasskind وزملائه الشباب. على وجه التحديد ، يرى المراقبون المتبقون خارج الثقب الأسود كيف تتراكم المعلومات في الأفق ، ثم تطير بعيدًا مع إشعاع هوكينج. يرى المراقبون الذين يسقطون في ثقب أسود المعلومات داخل (الشكل 6). بما أن هاتين الفئتين من المراقبين لا تستطيع التواصل ، لا تنشأ مفارقة.


التين. 6: يقول مبدأ التكامل أن كل شيء يعتمد على وجهة النظر. يرى المراقب الخارجي (2 أ) المعلومات المخزنة في الخارج ، و (3 أ) المرسلة إلى إشعاع هوكينج. مراقب يسقط للداخل (2 ب) يرى المعلومات في الداخل.

ومع ذلك ، فإن هذا الافتراض يحتمل أن يكون متناقضًا داخليًا ، ويتطلب بعض الأشياء الغريبة لتكون صحيحة. من بينها ما يسمى بـ "التصوير المجسم" ، وهي فكرة طورتها 't Hooft ، ثم Sasskind. الفكرة هي أن فيزياء المحتوى الثلاثي الأبعاد للثقب الأسود ، الذي تعمل فيه الجاذبية بشكل واضح ، يمكن اعتبارها ، من خلال تحول غامض ، كما الفيزياء الموجودة مباشرة فوق الأفق ثنائي الأبعاد ، حيث يتم وصفها بواسطة معادلات ثنائية الأبعاد لا تدخل فيها الجاذبية على الإطلاق!


التين. 7: من المثير للاهتمام أنه من الممكن وصف الجزء الداخلي من الثقب الأسود من خلال الجزء الخارجي ، وقد ظهر ذلك في أواخر التسعينات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. يمكن لنظرية الأوتار ، التي تحتوي على نسخة كمية من GR ، أن تفعل ذلك في بعض الحالات.

من الغريب أن هذه النظرية تلقت تأكيدًا كبيرًا في أواخر التسعينات ، على الأقل في بعض المواقف. في عام 1997 ، اقترح مالداسينا (وقام مئات الأشخاص باختبار هذا الافتراض بطرق مختلفة) أنه في ظل ظروف معينة ، نظرية الأوتار (التعميم الكمي للموارد الوراثية ، المرشح لنظرية قوانين الطبيعة لكوننا) تعادل النظرية الكمومية (على وجه التحديد ، نظرية المجال الكمومي ) بدون جاذبية وبدرجة أقل عدد القياسات. تستحق هذه العلاقة ، المعروفة باسم AdS / CFT أو "مطابقة الحقل / السلسلة" ، مقالة منفصلة.

عزز نجاح الهولوغرافيا الإيمان بحقيقة مبدأ التكامل. علاوة على ذلك ، جعلت مراسلات المجال / السلسلة من الممكن أن تثبت بشكل مقنع تمامًا أن الثقوب السوداء الصغيرة يمكن أن تتشكل وتبخر في نظرية الأوتار في عملية يمكن وصفها من خلال نظرية المجال الكمي المقابل (على الرغم من عدم التفاصيل) - وبالتالي هذه العملية ، مثل أي عملية أخرى العملية في نظرية الكم ، تحدث مع الحفاظ على المعلومات! بحلول عام 2005 ، حتى هوكينج قبل وجهة النظر هذه - أنه ، كما يفترض مبدأ التكامل ، لا تضيع المعلومات في الثقوب السوداء ، وأنه يجب تغيير الموارد الوراثية ، وليس نظرية الكم.

جدار الحماية والفوضى الحالية

ومع ذلك ، من حيث مبدأ التكامل كانت هناك تناقضات. تبخر الثقوب السوداء بطيء جدًا لدرجة أنه في نظرية الكم لا توجد معادلات تصف هذه العملية. في البحث عن هذه المعادلات ، وجد المهيري ومورولف وبولكينسكي وسالي أن مبدأ التكامل ، في ظل افتراضات معقولة ، يحتوي على تناقض داخلي يتجلى عندما يتبخر الثقب الأسود في منتصف الطريق تقريبًا. والدليل صعب للغاية ، فهو يتضمن تشابكًا كميًا ، والذي أطلق عليه آينشتاين "زاحف" ، والذي يستخدم في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تقريبًا ، في منتصف العملية تقريبًا ، يختفي الكثير من المعلومات من الثقب الأسود من خلال إشعاع هوكينج لدرجة أنه لا يكفي عرض الجزء الداخلي من الثقب الأسود في الأفق باستخدام التصوير المجسم. لذلك ، بدلاً من السقوط الداخلي للداخل بهدوء يمر عبر الأفق غير المؤذي ، كما هو الحال في الشكل 6 ، لن يجد المراقب أي معلومات داخلية ، وبصعوبة شديدة - سوف يقلى على جدار ناري (جدار نار) معلق مباشرة فوق الأفق (الشكل 8).


التين. 8

تتطلب إمكانية وجود جدار حماية تغييرات جذرية في الموارد الوراثية. في حالة الحقيقة ، اتضح أن وصف الثقوب السوداء في GR ، مع حجم داخلي كبير ، مع أفق يمثل مجرد نقطة اللاعودة (كما في الشكل 3) ، وليس مكانًا خاصًا يحدث فيه شيء ما ، سيتبين أنه خاطئ تمامًا بعد أن يتبخر الثقب الأسود بشكل كبير.

لذا عادت المفارقة! والأسوأ من ذلك. اتضح أنه إذا كانت نظرية الكم ومبدأ التكامل صحيحين ، فلا ينبغي تغيير الموارد الوراثية جزئيًا - يجب إعادة بنائها بشكل جدي! ولا يتم ملاحظة أي علامات لمثل هذا التغيير في نظرية الأوتار ، والتي تقدم مثالًا على التصوير المجسم. لكن تطابق الحقول / الأوتار يشير إلى أن النظرية الكمومية يمكن أن تصف تكوين وتبخر الثقوب السوداء ، لذلك لا تختفي المعلومات. هل يمكن استبدال مبدأ التكامل بأي شيء؟ أم أن أي من الحجج التي تخلق مفارقة خاطئة؟

الجميع في حيرة من أمرهم. هناك العديد من الاقتراحات لحل هذا اللغز. معظمهم لا يصلون إليك. تخبرك وسائل الإعلام عن Hawking لأنه مشهور ، لكنه مجرد واحد من العديد من الأصوات التي تناقش أفكارًا مختلفة. كل هذه الأفكار تعاني من مشكلة واحدة: عدم وجود معادلات لإثبات وشرح تفاصيل كيفية عملها. وبما أن نقص المعادلات أدى إلى مفارقة جدار الحماية ، فلا يمكن للمرء الخروج من هذا الموقف ، معتمداً على افتراض آخر مع عدد غير كافٍ من المعادلات!

ولكن ، على الرغم من أن Hawking هو مجرد واحد من العديد من مقدمي العروض ، وعلى الرغم من عدم وجود معادلات كافية في افتراضه ، فمن المحتمل أن تكون غير مكتملة ، وربما غير صحيحة - قد ترغب في معرفة ما اقترحه. من الصعب فهم هذا بدون معادلات ، ولكن هنا كيف يمكنني تفسيره (الشكل 9). يشير هوكينج إلى أنه على الرغم من تبسيط الجزء الخارجي من الثقوب السوداء بسرعة ، إلا أن الدواخل قد تكون معقدة للغاية. تظهر النظم المعقدة ، مثل الطقس ، خصائص الفوضى ، والتي يمكن أن تجعلها غير متوقعة حتى قبل استخدام نظرية الكم. يقترح أن هذا التعقيد يزعزع استقرار الأفق ويسمح بتسريب المعلومات المشفرة داخل الثقب الأسود. بما أن هذا من شأنه أن ينتهك نظريات هوكينج حول النسبية العامة ، أفترض أن هذا يعني أنه يجب تغيير النسبية العامة. وبما أن افتراضه يعتمد على AdS / CFT (مطابقة الحقل / السلسلة) ، أفترض أنه يعتقد أن هذا يجب أن يحدث في نظرية الأوتار. وبما أن ما وصل إلى الثقب الأسود لا يزال يخرج منه ، فإن هذه الثقوب ليست سوداء حقًا - لذا نسميها "ثقوب رمادية" ، أو "حالات جاذبية ثابتة قابلة للتبديل" ، أو "للوهلة الأولى ثقوب سوداء قد لا يكون المصطلح "- ولكن" السود "هو المصطلح الصحيح.


التين. 9: أعتذر لهوكينغ ، لأنه لا أنا ولا أحد في دائرتي يعرف بالضبط ما يعنيه. لذلك اضطررت إلى عمل رسم تقريبي لما أعتقد أنه يحاول اقتراحه.

ولكن هناك العديد من المشاكل الواضحة في هذا الاقتراح ، وليس أقلها أن سر جدار الحماية يظهر بالفعل في الثقب الأسود نصف المتبخر ، وليس في نهاية حياته. لذلك ، يظل الثقب الأسود كبيرًا بما يكفي عندما تبدأ المعلومات بالفعل في التسرب - ومن الصعب جدًا التوفيق بين اقتراح هوكينج. لذا لا تنتظر ظهور إجماع حول اقتراح هوكينج ، خاصة بدون أي معادلات محددة لحلها.

على أي حال ، كل شيء تعلمته عن الثقوب السوداء لا يزال صحيحًا بشكل أساسي. لا يحتاج علماء الفيزياء الفلكية إلى القلق بشأن التغييرات في ما يعتقدون أنهم يعرفونه عن الثقوب السوداء النجمية أو المجرية. على الأقل بالنسبة للثقوب السوداء الكبيرة وغير القديمة ، لن يؤدي اقتراح هوكينج إلى أي تغييرات قابلة للقياس. وإذا وقعت في حفرة ، فلا يزال بإمكانك الخروج أو إرسال رسالة إلى شخص ما بالخارج. لذا ، حتى لو اتضح عدم وجود ثقوب سوداء صارمة ، في وسط كل مجرة ​​تقريبًا في الكون ، سيظل هناك ثقب "أسود بما فيه الكفاية".

لا تتوقع أن يتم حل هذا اللغز البالغ من العمر 40 عامًا قريبًا. على الأرجح ، سيتم عرض قرارها من قبل بعض الفيزيائيين الشباب ، الذين لا تعرف شيئًا عنهم ، أو حتى شخصًا لم يولد بعد.