Warum Physiker so besorgt über das Paradox des Verschwindens von Informationen in einem Schwarzen Loch sind

Schwarzes Loch mit Düsen und Akkretionsscheibe

Lieber Dr. Bee,

Warum Physiker so besorgt sind über das Verschwinden von Informationen in einem Schwarzen Loch, weil es darüber hinaus andere irreversible Prozesse gibt, die eher routinemäßig sind. Ein offensichtliches Beispiel ist eine Zunahme der Entropie in einem isolierten System, und das andere sind Messungen in der Quantenmechanik.

Grüße, Petteri.

Lieber Petteri,

Das ist eine sehr gute Frage. Die Verwirrung hängt eng mit dem Informationsparadoxon als Akkretionsscheibe mit einem supermassiven Schwarzen Loch zusammen. Vor ein paar Wochen stellte ich fest, dass selbst mein Mann dieses Problem nicht wirklich verstand und nicht nur in Physik promovierte, sondern auch 15 Jahre lang über dieses Thema sprach!

Daher werde ich gerne erklären, warum Theoretiker so besorgt über Informationen und BH sind. Dieses Problem hat zwei Aspekte: wissenschaftlich und sozial. Beginnen wir mit dem wissenschaftlichen.

In der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie stellen Schwarze Löcher keine besonderen Probleme dar. Natürlich enthalten sie eine Singularität, in der sich die Krümmung in Unendlichkeit verwandelt - und dies wird als dem Geist der Physik zuwider angesehen -, aber BHs verbergen sie jenseits des Horizonts der Ereignisse, wodurch sie niemandem schaden.

Aber wie Stephen Hawking betonte, können Sie angesichts der Tatsache, dass das Universum einschließlich des Vakuums mit Quantenmaterialfeldern gefüllt ist, berechnen, dass Schwarze Löcher Teilchen emittieren. Dieser Prozess wird heute als "Hawking-Strahlung" bezeichnet. Diese Kombination von nicht quantisierter Schwerkraft mit Quantenmaterialfeldern wird als „halbklassische“ Schwerkraft bezeichnet und sollte als gute Annäherung dienen, bis die Quanteneffekte der Schwerkraft vernachlässigt werden können, dh bis Sie der Singularität sehr nahe sind.

Hawking-Strahlung besteht aus Paaren von verschränkten Partikeln. In jedem der Paare fällt ein Teilchen in das Schwarze Loch und das andere rennt weg. Dies führt zu einem Verlust an BH-Masse, dh BH wird komprimiert. Am Ende verliert es vollständig an Masse, und infolgedessen bleiben nur überall verstreute Hawking-Strahlungsteilchen übrig.

Das Problem ist, dass die außer Kontrolle geratenen Partikel keine Informationen darüber enthalten, was das Schwarze Loch gebildet hat. Darüber hinaus gehen auch die Informationen der Partner dieser Partikel, die in BH gefallen sind, verloren. Wenn wir die Nebenwirkungen der BH-Verdunstung untersuchen, können wir nicht sagen, wie der Ausgangszustand war; Sie können nur die Gesamtmasse, die Ladung und den Drehimpuls berechnen - drei „Haare“ aus Schwarzen Löchern ( und ein Qubit ). Es stellt sich heraus, dass die BH-Verdampfung irreversibel ist.



In der Quantenfeldtheorie (CFT) existieren jedoch keine irreversiblen Prozesse. Im Fachjargon verwandeln BHs reine Zustände in gemischte, was überhaupt nicht passieren sollte. Daher führt die Verdunstung des BH zu internen Widersprüchen: Sie kombinieren KTP mit GR, aber das Ergebnis ist nicht mit KTP kompatibel.

Beantwortung von Fragen: Eine zunehmende Entropie bedeutet normalerweise keine grundlegende Irreversibilität, sondern nur eine praktische. Die Entropie steigt aufgrund der Tatsache, dass die Wahrscheinlichkeit, den umgekehrten Prozess zu sehen, gering ist. Grundsätzlich sollte jedoch jeder Prozess reversibel sein: Eier brechen, Mehl kneten, Bücher verbrennen - die entgegengesetzten Prozesse lassen sich leicht mathematisch beschreiben. Wir beobachten sie einfach nicht, da ein solches Ereignis extrem fein abgestimmte Anfangszustände erfordern würde. Ein starker Anstieg der Entropie macht den Prozess praktisch irreversibel, aber theoretisch reversibel.

Dies gilt für alle Prozesse außer der Verdunstung von Schwarzen Löchern. Keine Feinabstimmung gibt Informationen zurück, die im Schwarzen Loch verloren gegangen sind. Dies ist der einzige bekannte Fall grundlegender Irreversibilität. Wir wissen, dass dies schlecht ist, aber wir wissen nicht, was genau falsch ist. Deshalb machen wir uns Sorgen.

Die Irreversibilität in der Quantenmechanik, über die Sie in der Frage gesprochen haben, stammt aus dem Messprozess, aber die Verdampfung des BH ist bereits vor Durchführung der Messungen irreversibel. Natürlich kann man Einwände erheben - warum sich so viele Sorgen machen, wenn alles, was wir beobachten können, noch gemessen werden muss? Ja, ein solcher Einwand ist möglich und wurde bereits verwendet. Aber an sich beseitigt es nicht die Widersprüche. Auf jeden Fall müssen Sie zeigen, wie Sie zwei mathematische Plattformen miteinander in Einklang bringen können.

Dieses Problem hat solche Aufmerksamkeit erregt, weil seine Mathematik sehr klar ist und die Konsequenzen global sind. Hawkings Verdampfung hängt von den Quanteneigenschaften von Materialfeldern ab, berücksichtigt jedoch nicht die Quanteneigenschaften von Raum und Zeit. Es ist daher allgemein anerkannt, dass die Quantifizierung der Raumzeit notwendig ist, um Widersprüche zu beseitigen. Bei der Lösung des Problems des Verschwindens von Informationen würden wir auf dem Gebiet der Theorie der Quantengravitation etwas Neues lernen. Daher ist das Verschwinden von Informationen im Schwarzen Loch ein ausgezeichnetes logisches Rätsel mit enormen potenziellen Vorteilen - dies macht es so verlockend.

Nun zur Soziologie. Möglicherweise haben Sie bemerkt, dass dieses Problem nicht so neu ist. Sie erschien vor meiner Geburt. Während meines ganzen Lebens wurden Tausende von Werken darüber geschrieben und Hunderte von Lösungen vorgeschlagen, aber Theoretiker können sich auf keine von ihnen einigen. Das liegt daran, dass sie dies nicht tun müssen: Für die BHs, die wir beobachten können (z. B. im Zentrum unserer Galaxie), ist die Hawking-Strahlungstemperatur so niedrig, dass wir die fliegenden Partikel nicht messen können. Daher ist die BH-Verdampfung ein idealer Sandkasten für mathematisches Denken.



Für das Problem des Informationsverlusts gibt es eine offensichtliche Lösung, auf die seit langem hingewiesen wurde. BHs zerstören Informationen, weil alles, was über den Horizont hinausgeht, einzigartig und zerstört ist. Die Singularität wird jedoch als mathematisches Artefakt betrachtet, was in der Theorie der Quantengravitation nicht sein sollte. Entfernen Sie die Singularität - entfernen Sie das Problem.

In der Tat funktionieren Hawkings Berechnungen nicht mehr, wenn der BH fast seine gesamte Masse verliert und so klein wird, dass die Quantengravitation zu funktionieren beginnt. Dies bedeutet, dass Informationen einfach in der allerletzten Phase, der Phase der Quantengravitation, ausbrechen und kein Widerspruch entsteht.

Diese offensichtliche Lösung ist jedoch auch unpraktisch, denn wenn Sie nicht wissen, was in der Nähe der Singularität und in Fällen mit starker Krümmung geschieht, kann nichts berechnet werden, da dies die Quantengravitation erfordert. Diese Idee ist also nicht sehr fruchtbar. Mit seiner Hilfe können nur wenige wissenschaftliche Arbeiten verfasst werden, und nur wenige haben darüber geschrieben. Es ist viel fruchtbarer anzunehmen, dass Hawkings Berechnungen anderswo falsch sind.

Wenn Sie sich in der Literatur vertiefen und herausfinden möchten, aus welchen Gründen die Idee, dass die Informationen in einer Phase starker Krümmung herauskommen, abgelehnt wurde, werden Sie leider feststellen, dass diese Begründung hauptsächlich sozialer und nicht wissenschaftlicher Natur ist.

Wenn sich die Informationen im Schwarzen Loch für eine lange Zeit verzögern, bedeutet dies, dass kleine Schwarze Löcher viele verschiedene Kombinationen von Informationen enthalten sollten. In mehreren Veröffentlichungen wurde argumentiert, dass solche BHs Informationen langsam emittieren sollten, was bedeutet, dass sich kleine BHs in der Praxis wie eine unendliche Anzahl von Partikeln verhalten sollten. In diesem Fall, so behaupten die Autoren der Werke, sollten sie auch in schwachen Hintergrundfeldern (z. B. neben der Erde) in unendlichen Mengen auftreten, was in der Realität nicht beobachtet wird.

Leider basieren diese Argumente auf der unbegründeten Annahme, dass das Innere des BH klein ist. In der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es jedoch keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen Oberfläche und Volumen, da der Raum gekrümmt werden kann. Die Annahme, dass kleine BHs, für die die Quantengravitation stark ist, als Partikel bezeichnet werden können, ist ebenfalls unbegründet .

Infolgedessen schrieb Leonard Sasskind eine Arbeit, in der er die Idee zurückwies, dass Informationen für lange Zeit im Schwarzen Loch verbleiben und am Ende ihres Lebens veröffentlicht werden. Dies ermöglichte es allen anderen, zu erklären, dass die offensichtliche Lösung nicht funktionierte, und unzählige neue Werke mit eigenen Argumenten zu veröffentlichen.

Entschuldigen Sie die Skepsis, aber so schätze ich diese Situation ein. Ich gebe sogar zu, dass ich selbst an diesem Berg von Papieren mitgewirkt habe, weil die wissenschaftliche Welt einfach so funktioniert. Ich muss auch von etwas leben.

Dies ist ein weiterer Grund, warum Physiker so besorgt über das Verschwinden von Informationen im BH sind: Da die Diskussionen zu diesem Thema nicht auf experimentelle Daten beschränkt sind, ist es sehr einfach, Artikel darüber zu schreiben, und da so viele Menschen an diesem Thema arbeiten, gibt es auch keine Zitate Probleme.