لماذا يشعر الفيزيائيون بالقلق الشديد بشأن مفارقة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود

ثقب أسود مع نفاثات وقرص تنامي

عزيزي الدكتور بي ،

لماذا يشعر الفيزيائيون بالقلق الشديد من اختفاء المعلومات في الثقب الأسود ، لأن هناك عمليات أخرى لا رجعة فيها ، علاوة على ذلك ، ذات طبيعة روتينية إلى حد ما. أحد الأمثلة الواضحة هو زيادة في الكون في نظام معزول ، والآخر هو القياسات في ميكانيكا الكم.

التحيات ، بيتري.

عزيزي بيتري ،

هذا سؤال جيد جدا يرتبط الارتباك ارتباطًا وثيقًا بمفارقة المعلومات كقرص تنامي مع ثقب أسود فائق الكتلة. قبل بضعة أسابيع ، وجدت أنه حتى زوجي لم يفهم هذه المشكلة حقًا ، ولم يكن لديه فقط دكتوراه في الفيزياء ، فقد تحمل حديثي عن هذه المشكلة لمدة 15 عامًا!

لذا سأكون سعيدًا لشرح سبب قلق المنظرين من المعلومات و BH. لهذه المشكلة جانبان: علمي واجتماعي. لنبدأ بالعلمية.

في النظرية النسبية العامة ، لا تشكل الثقوب السوداء أي مشاكل معينة. بالطبع ، تحتوي على تفرد يتحول فيه الانحناء إلى ما لا نهاية - وهذا يعتبر مخالفاً لروح الفيزياء - لكن BHs تخفيها خارج أفق الأحداث ، ونتيجة لذلك لا تضر بأي شخص.

ولكن ، كما أشار ستيفن هوكينج ، بالنظر إلى أن الكون ، بما في ذلك الفراغ ، مليء بحقول المواد الكمومية ، يمكنك حساب أن الثقوب السوداء تنبعث منها الجسيمات ؛ هذه العملية تسمى اليوم "إشعاع هوكينج". يُعرف هذا المزيج من الجاذبية غير الكمية مع حقول المواد الكمية باسم الجاذبية "شبه الكلاسيكية" ، ويجب أن يكون بمثابة تقريب جيد حتى يمكن إهمال التأثيرات الكمية للجاذبية ، أي حتى تكون قريبًا جدًا من الخصوصية.

يتكون إشعاع هوكينج من أزواج من الجسيمات المتشابكة. في كل زوج من الأزواج ، يسقط أحد الجسيمات في الثقب الأسود ، والآخر يهرب. هذا يؤدي إلى فقدان كتلة BH ، أي أن BH مضغوط. في النهاية ، تفقد الكتلة تمامًا ، ونتيجة لذلك ، تبقى جزيئات إشعاع هوكينج المنتشرة في كل مكان.

المشكلة هي أن الجسيمات الهاربة لا تحتوي على أي معلومات حول ما شكل الثقب الأسود. علاوة على ذلك ، تُفقد أيضًا معلومات شركاء هذه الجسيمات التي سقطت في BH. إذا درسنا الآثار الجانبية لتبخر BH ، لا يمكننا أن نقول ما كانت الحالة الأولية ؛ يمكنك فقط حساب الكتلة الكلية والشحنة والزخم الزاوي - ثلاثة "شعيرات" من الثقوب السوداء ( وكيوبت واحد ). اتضح أن تبخر BH لا رجعة فيه.



ولكن في نظرية المجال الكمي (CFT) ، لا توجد عمليات لا رجعة فيها. يتحدث بلغة تقنية ، BHs تحول الحالات النقية إلى حالات مختلطة ، والتي لا ينبغي أن تحدث على الإطلاق. لذلك ، يؤدي تبخر BH إلى تناقضات داخلية: تقوم بدمج KTP مع GR ، ولكن النتيجة غير متوافقة مع KTP.

الإجابة على الأسئلة: زيادة الانتروبيا عادة لا تعني اللارجعية الأساسية ، بل عملية فقط. يزداد الانتروبيا بسبب حقيقة أن احتمال رؤية العملية العكسية صغير. ولكن من حيث المبدأ ، يجب أن تكون أي عملية قابلة للعكس: كسر البيض ، عجن الدقيق ، حرق الكتب - يمكن وصف العمليات المقابلة لذلك بسهولة رياضيًا. نحن فقط لا نلاحظها ، لأن مثل هذا الحدث يتطلب حالات أولية دقيقة للغاية. زيادة قوية في الإنتروبيا تجعل العملية لا رجعة فيها عمليًا ، ولكن يمكن عكسها نظريًا.

وينطبق هذا على جميع العمليات باستثناء تبخر الثقوب السوداء. لن يؤدي الضبط الدقيق إلى إرجاع المعلومات المفقودة في الثقب الأسود. هذه هي الحالة الوحيدة المعروفة من اللارجعة الأساسية. نحن نعلم أن هذا أمر سيئ ، لكننا لا نعرف بالضبط ما هو الخطأ. لذلك نحن قلقون.

تأتي اللارجعة في ميكانيكا الكم ، التي تحدثت عنها في السؤال ، من عملية القياس ، لكن تبخر BH لا رجعة فيه حتى قبل إجراء القياسات. بالطبع ، يمكن للمرء أن يعترض - لماذا تقلق كثيرًا إذا كان لا يزال يتعين قياس كل شيء يمكننا ملاحظته؟ نعم ، مثل هذا الاعتراض ممكن ، وقد تم استخدامه بالفعل. ولكن في حد ذاته ، لا يقضي على التناقضات. على أي حال ، تحتاج إلى إظهار كيف يمكنك التوفيق بين منصتين رياضيتين.

وقد جذبت هذه المشكلة هذا الاهتمام لأن رياضياتها واضحة للغاية ، والعواقب عالمية. يعتمد تبخر هوكينج على الخصائص الكمية لحقول المواد ، لكنه لا يأخذ في الاعتبار الخصائص الكمية للمكان والزمان. لذلك ، من المقبول بشكل عام أن تحديد كمية الزمكان ضروري للقضاء على التناقضات. في عملية حل مشكلة اختفاء المعلومات ، سوف نتعلم شيئًا جديدًا في مجال نظرية الجاذبية الكمية. لذلك ، فإن اختفاء المعلومات في الثقب الأسود هو لغز منطقي ممتاز مع فوائد محتملة هائلة - وهذا يجعلها مغرية للغاية.

الآن عن علم الاجتماع. ربما لاحظت أن هذه المشكلة ليست جديدة. ظهرت قبل ولادتي. طوال حياتي ، تمت كتابة آلاف الأعمال عليه ، وتم اقتراح مئات الحلول ، ولكن لا يستطيع المنظرون الاتفاق على أي منها. هذا لأنه لا يتعين عليهم القيام بذلك: بالنسبة إلى BHs التي يمكننا مراقبتها (على سبيل المثال ، في مركز مجرتنا) ، تكون درجة حرارة إشعاع Hawking منخفضة جدًا بحيث لا يمكننا قياس الجسيمات الطائرة. لذلك ، فإن تبخر BH هو صندوق رمل مثالي للفكر الرياضي.



بالنسبة لمشكلة فقدان المعلومات ، هناك حل واضح تمت الإشارة إليه لفترة طويلة. BHs تدمر المعلومات ، لأن كل ما يقع خارج الأفق هو مفرد ودمر. لكن التفرد يعتبر قطعة أثرية رياضية ، والتي لا ينبغي أن تكون في نظرية الجاذبية الكمية. إزالة التفرد - إزالة المشكلة.

في الواقع ، تتوقف حسابات هوكينج عن العمل عندما يفقد BH كل كتلته تقريبًا ويصبح صغيرًا جدًا بحيث تبدأ الجاذبية الكمية في العمل. وهذا يعني أن المعلومات سوف تنفجر ببساطة في المرحلة الأخيرة ، ومرحلة الجاذبية الكمية ، ولن يحدث أي تناقض.

لكن هذا الحل الواضح غير مريح أيضًا ، لأنه إذا كنت لا تعرف ما يحدث بالقرب من التفرد وفي الحالات التي يكون فيها انحناءًا قويًا ، فلا يمكن حساب أي شيء ، لأن هذا سيتطلب الجاذبية الكمية. لذا فإن هذه الفكرة ليست مثمرة للغاية. يمكن كتابة عدد قليل من الأوراق العلمية بمساعدتها ، وقد كتب القليل عنها. من المفيد أكثر أن نفترض أن حسابات هوكينج خاطئة في مكان آخر.

لسوء الحظ ، إذا بحثت في الأدبيات وحاولت معرفة الأسباب التي تم رفض فكرة أن المعلومات التي تأتي في مرحلة انحناء قوي ، فستجد أن هذا المبرر اجتماعي بشكل أساسي ، وليس علميًا.

إذا تأخرت المعلومات لفترة طويلة في الثقب الأسود ، فهذا يعني أن الثقوب السوداء الصغيرة يجب أن تحتوي على العديد من مجموعات مختلفة من المعلومات. جادل العديد من الأوراق في أن مثل هذه BHs ينبعث منها معلومات ببطء ، مما يعني أن BHs الصغيرة يجب أن تتصرف عمليًا كعدد لا نهائي من الجسيمات. في هذه الحالة ، يدعي مؤلفو المصنفات ، يجب أن يظهروا بكميات لا حصر لها حتى في مجالات الخلفية الضعيفة (على سبيل المثال ، بجوار الأرض) ، والتي لم تتم ملاحظتها في الواقع.

لسوء الحظ ، تستند هذه الحجج على الافتراض الذي لا أساس له بأن داخل BH صغير. ولكن في النسبية العامة ، لا يوجد اتصال واضح بين مساحة السطح والحجم ، حيث يمكن أن تكون المساحة منحنية. إن الافتراض بأن BHs الصغيرة التي تكون الجاذبية الكمية قوية بالنسبة لها يمكن وصفها بالجسيمات لا أساس لها أيضًا .

ونتيجة لذلك ، كتب ليونارد ساسكيند عملًا يرفض فكرة بقاء المعلومات في الثقب الأسود لفترة طويلة ويتم نشرها في نهاية حياتهم. هذا جعل من الممكن للجميع أن يعلنوا أن الحل الواضح لم يفلح ، والبدء في إصدار أعمال جديدة لا تعد ولا تحصى مع حججهم الخاصة.

نأسف للشك ، ولكن هذه هي الطريقة التي أقيم بها هذا الوضع. أعترف حتى أنني كان لي يد في هذا الجبل من الأوراق ، لأن العالم العلمي يعمل بهذه الطريقة. أحتاج أيضًا إلى العيش على شيء ما.

هذا سبب آخر لقلق الفيزيائيين من اختفاء المعلومات في BH: نظرًا لأن المناقشات حول هذا الموضوع لا تقتصر على البيانات التجريبية ، فمن السهل جدًا كتابة أوراق عنها ، وبما أن العديد من الأشخاص يعملون على هذا الموضوع ، فلا توجد اقتباسات أيضًا مشاكل.