Schwarze Löcher und akademische Mauern

Früher war es einfach, in ein Schwarzes Loch zu fallen: Sie würden nichts bemerken. Aber kann auf Ihrem Weg eine Wand erscheinen?

Laut Einstein würden Sie den Moment des Überschreitens des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs nicht bemerken. Aber jetzt beweisen Forscher, dass eine Brandmauer (oder ein Ziegelstein) auf Ihrem Weg erscheinen kann. Sind sie alle auf einmal verrückt geworden?



Tl; dr: Ja.

Manchmal ist es sehr schwer zu verstehen, warum jemand Zeit damit verschwendet, ein akademisches Problem wie den Verlust von Informationen in einem Schwarzen Loch zu lösen. Und das sage ich, nachdem ich den größten Teil des letzten Jahrzehnts damit verbracht habe, über Schwarze Löcher nachzudenken. Haben Physiker in einer Welt, die unter Krieg und Krankheit oder zumindest grammatikalischen Fehlern leidet, nichts mehr zu tun? Was motiviert diese Forscher neben der Hoffnung, dank des 40 Jahre alten Puzzles in die Schlagzeilen zu kommen?



Viele Physiker arbeiten heute an Themen wie dem Verlust von Informationen in Schwarzen Löchern, die von der Realität getrennt zu sein scheinen. Schwarze Löcher werden in der Lage sein, Informationen nach vollständiger Verdunstung zu zerstören, und dies wird in den nächsten 100 Milliarden Jahren nicht geschehen. Was diese Wissenschaftler antreibt, ist nicht die praktische Anwendung ihrer Ideen, sondern die Erkenntnis, dass heute jemand den Weg in die Wissenschaft ebnen muss, was in hundert, tausend oder zehntausend Jahren notwendig sein wird. Und wenn ich die Schlagzeilen lese, die das Chaos beschreiben, denke ich, dass die überirdische Reinheit dieses Arguments und die unvermeidliche Logik, die zum Paradoxon führt, ihm nur Gewicht verleihen.

Und ich kann mit Drahtpuzzles mitgerissen werden.



Wenn der Informationsverlust in Schwarzen Löchern ein Weltraumdetektiv ist, ist die Quantentheorie ein Opfer. Stephen Hawking hat in den frühen 1970er Jahren gezeigt, dass die Kombination von Quantentheorie mit Schwerkraft Wärmestrahlung von Schwarzen Löchern liefert. Diese "Hawking-Strahlung" besteht aus Partikeln, die keine anderen Informationen als die Temperatur enthalten. Und wenn das Schwarze Loch vollständig verdunstet ist, werden alle Informationen darüber, was hineingefallen ist, zerstört. Eine solche Zerstörung von Informationen ist jedoch nicht mit der Quantentheorie selbst vereinbar, mit der diese Schlussfolgerung bewiesen wird. In der Quantentheorie sind alle Prozesse zeitlich reversibel, aber die Verdampfung eines Schwarzen Lochs ist offensichtlich irreversibel.

Und dies ist ein ernstes Rätsel für Physiker, denn es zeigt, dass Gravitation und Quantentheorie sich nicht verbinden wollen. Das Problem zu erklären, das sich auf die unbekannte Theorie der Quantengravitation beruft, ist ebenfalls gescheitert. Hawking-Strahlung ist kein Quantengravitationsprozess, und obwohl die Quantengravitation irgendwann in den letzten Stadien der Verdampfung von Schwarzen Löchern wichtig wird, wird argumentiert, dass es bis dahin zu spät ist, alle Informationen zu extrahieren.



Die Situation änderte sich Ende der neunziger Jahre dramatisch, als Maldacena vorschlug, dass bestimmte Gravitationstheorien Eichentheorien entsprechen. Diese berühmte „Entsprechung von Messgerät und Schwerkraft“ wurde in der Stringtheorie entdeckt und obwohl sie nicht mathematisch bewiesen wurde, beseitigt sie das Problem des Informationsverlusts in einem Schwarzen Loch, da sie in der Messgerätetheorie gleichwertig beschrieben wird, unabhängig davon, was während der Verdampfung eines Schwarzen Lochs passiert. Eine Eichentheorie tötet keine Informationen und daher gibt es kein Problem.

Obwohl die Konformität von Kalibrierung und Schwerkraft viele, einschließlich Stephen Hawking selbst, davon überzeugt hat, dass Schwarze Löcher keine Informationen zerstören, hat sie kein Licht darauf geworfen, wie Informationen aus einem Schwarzen Loch entweichen. Die Forschung ging weiter, aber die Selbstzufriedenheit breitete sich unter den theoretischen Physikern aus. Die Stringtheorie scheint das Paradoxon gelöst zu haben, und es bleibt nur eine Frage der Zeit, bis wir ihre Details verstehen.



Aber alles ging schief. Stattdessen zeigte 2012 eine Gruppe von Physikern, Almheiri, Marolf, Polchinski und Sally (Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully - AMPS), dass diese „Entscheidung“ widersprüchlich war. Sie zeigten, dass die vier Annahmen, deren Richtigkeit die meisten Stringtheoretiker glauben, nicht gleichzeitig erfüllt werden können. Dies sind die Annahmen:

1. Schwarze Löcher zerstören keine Informationen.
2. .
3. , , .
4. , , .

Die zweite Annahme formuliert die Behauptung neu, dass Hawking-Strahlung nicht der Effekt der Quantengravitation ist. Drittens die Ableitung von Schwarzloch-Mikrozuständen in der Stringtheorie aus Berechnungen. Viertens - das Prinzip der Einsteinschen Äquivalenz. Kurz gesagt, AMPS sagt, dass eine dieser Annahmen falsch ist. Einer der Zeugen lügt, aber wer genau?

AMPS schlug in ihrer Arbeit, vielleicht nicht sehr ernst, vor, die am wenigsten umstrittene Annahme aufzugeben: die vierte. Wenn Sie Nr. 4 aufgeben, führen die anderen drei dazu, dass ein Beobachter, der in ein schwarzes Loch fällt, über eine „Feuerwand“ stolpert und zur Hölle brennt. Das Äquivalenzprinzip ist jedoch das Dogma der allgemeinen Relativitätstheorie und kann nur als letztes Mittel aufgegeben werden.



Für einen nicht eingeweihten Beobachter scheint es offensichtlich, dass der dritte Zeuge lügt. Im Gegensatz zu anderen Annahmen, die sich aus bereits bekannten Theorien mit großer Genauigkeit ergeben, folgt Nummer 3 aus nicht überprüften. Wenn wir also eine der Annahmen wegwerfen, dann ist dies vielleicht die Annahme, dass die Stringtheorie in Bezug auf den Inhalt von Schwarzen Löchern richtig ist. Aber diese Möglichkeit ist natürlich bei Stringtheoretikern nicht sehr beliebt.

Innerhalb weniger Monate war der arxiv-Teil der theoretischen Hochenergiephysik voller Versuche, diese Annahmen in Einklang zu bringen. Es wurden absolut alle Lösungen vorgeschlagen, von der Übernahme der Theorie der Brandmauer bis hin zu multiversen und komplexen Gedankenexperimenten, die zeigten, dass ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, nicht bemerken würde, dass es brennen würde. Ja, hier haben Sie moderne Physik.

Ich habe auch zu dieser Diskussion beigetragen. Ich fand alle Zeugen überzeugend, keiner von ihnen machte den Eindruck eines Lügners. Als ich dies akzeptierte, wurde mir klar, dass ihre offensichtliche Unvereinbarkeit von der fünften, unangekündigten Annahme herrührte, die im Beweis verwendet wurde. So wie scheinbar widersprüchliche Aussagen plötzlich Sinn machen können, wenn Sie feststellen, dass das Opfer nicht dort getötet wurde, wo Sie die Leiche gefunden haben, sind diese vier Aussagen sinnvoll, wenn Sie Informationen nicht auf eine bestimmte Weise speichern müssen (so dass das Finale der Zustand wird nicht "typisch" sein). Stattdessen macht das Erfordernis der lokalen Energieeinsparung in der Nähe des Ereignishorizonts die Feuerwand unmöglich und zeigt gleichzeitig, wie genau die Verdunstung eines Schwarzen Lochs mit der Quantentheorie vereinbar bleibt.



Es scheint mir, dass niemand meine Arbeit mochte. Vielleicht aufgrund der Tatsache, dass es ein unverständliches Bild hat. Oder aufgrund der Schlussfolgerung, dass es irgendwo in der Nähe des Ereignishorizonts eine Grenze gibt, die die Quantentheorie ändert und für jeden Beobachter, der sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs befindet, unsichtbar ist. Die durch diese Grenze erzeugten Effekte können gemessen werden, jedoch nur in großer Entfernung.

Und obwohl meine Annahme das Rätsel mit einer Feuerwand löste, löste es nicht das Problem des Informationsverlusts in einem Schwarzen Loch. Ich habe in einem Hinweis erwähnt, dass Sie diese Grenze im Prinzip verwenden können, um Informationen an ausgehende Strahlung zu übertragen, aber es würde immer noch nicht erklären, wie die Informationen diese Grenze überhaupt erreichen.

Nach der Veröffentlichung der Arbeit schwor ich erneut, nicht mehr an die Verdunstung des Schwarzen Lochs zu denken. Aber letzte Woche erschien ein Vorabdruck von 't Hooft in arxiv. Dies ist einer der ersten, der an der Thermodynamik eines Schwarzen Lochs bastelt, und in seiner neuen Arbeit 't Hooft schlägt vor, dass der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs als Grenze fungiert, die Informationen widerspiegelt - eine „Mauer“, wie von New Scientist beschrieben. Die Idee wurde von Steven Hawkings jüngster Annahme inspiriert, dass die meisten Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, am Horizont gespeichert sind. Wenn dies der Fall ist und Sie dem Horizont eine Chance zum Arbeiten geben können, können die Informationen das Schwarze Loch wieder verlassen.

Natürlich denke ich nicht, dass Ziegel eine große Verbesserung gegenüber Feuer darstellen, und ich bin sicher, dass sich diese Idee nicht durchsetzen wird. Aber nach all dieser Verwirrung kann es uns helfen, besser zu verstehen, wie genau der Horizont mit Hawking-Strahlung interagiert und wie er es schafft, Informationen darin zu codieren.

Schneller Vorlauf tausend Jahre. Dort warten wir auf die Theorie der Quantengravitation, die es uns ermöglicht, das Verhalten von Raum und Zeit auf kürzesten Entfernungen und, wie viele hoffen, die Quelle der Quantentheorie selbst oder sogar der Materie zu verstehen. Fortschritt ist ein kleiner Schritt, und manchmal führt uns die Geschichte in Kreisen, aber Physiker werden durch das Wissen unterstützt, dass Lösungen existieren müssen und dass ein Mörder von Informationen gefasst wird. Es gibt keinen Trick, die letzte Seite des Buches zu lesen - es wurde noch nicht geschrieben.

Source: https://habr.com/ru/post/de397067/