¿Por qué los físicos están tan preocupados por la paradoja de la desaparición de información en un agujero negro?

Agujero negro con chorros y disco de acreción

Estimado Dr. Bee,

Por qué los físicos están tan preocupados por la desaparición de la información en un agujero negro, porque hay otros procesos irreversibles, además, de una naturaleza bastante rutinaria. Un ejemplo obvio es un aumento de la entropía en un sistema aislado, y el otro son las mediciones en mecánica cuántica.

Saludos, Petteri.

Querida Petteri

Esta es una muy buena pregunta. La confusión está estrechamente relacionada con la paradoja de la información como un disco de acreción con un agujero negro supermasivo. Hace unas semanas, descubrí que incluso mi esposo no entendía realmente este problema, y ​​que no solo tenía un doctorado en física, ¡también soportó mi charla sobre este tema durante 15 años!

Por lo tanto, me complacerá explicar por qué los teóricos están tan preocupados por la información y BH. Este problema tiene dos aspectos: científico y social. Comencemos con lo científico.

En la teoría general clásica de la relatividad, los agujeros negros no plantean ningún problema en particular. Por supuesto, contienen una singularidad en la que la curvatura se convierte en infinito, y esto se considera contrario al espíritu de la física, pero los BH lo ocultan más allá del horizonte de eventos, por lo que no daña a nadie.

Pero, como señaló Stephen Hawking, dado que el Universo, incluido el vacío, está lleno de campos de material cuántico, se puede calcular que los agujeros negros emiten partículas; Este proceso se llama hoy "radiación de Hawking". Esta combinación de gravedad no cuantificada con campos de material cuántico se conoce como gravedad "semiclásica", y debería servir como una buena aproximación hasta que los efectos cuánticos de la gravedad puedan descuidarse, es decir, hasta que esté muy cerca de la singularidad.

La radiación de Hawking consiste en pares de partículas enredadas. En cada uno de los pares, una partícula cae en el agujero negro y la otra se escapa. Esto conduce a una pérdida de masa de BH, es decir, BH está comprimido. Al final, pierde masa por completo y, como resultado, solo quedan partículas de radiación de Hawking dispersas por todas partes.

El problema es que las partículas fuera de control no contienen ninguna información sobre lo que formó el agujero negro. Además, la información de los socios de estas partículas que han caído en BH también se pierde. Si estudiamos los efectos secundarios de la evaporación de BH, no podemos decir cuál era el estado inicial; solo puede calcular la masa total, la carga y el momento angular: tres "pelos" de agujeros negros ( y un qubit ). Resulta que la evaporación de BH es irreversible.



Pero en la teoría cuántica de campos (CFT), no existen procesos irreversibles. Hablando en jerga técnica, los BH convierten los estados puros en mixtos, lo que no debería suceder en absoluto. Por lo tanto, la evaporación de la BH conduce a contradicciones internas: combina KTP con GR, pero el resultado es incompatible con KTP.

Respondiendo preguntas: aumentar la entropía generalmente no implica irreversibilidad fundamental, solo práctica. La entropía aumenta debido al hecho de que la probabilidad de ver el proceso inverso es pequeña. Pero, en principio, cualquier proceso debe ser reversible: romper huevos, amasar harina, quemar libros; los procesos opuestos a esto se pueden describir fácilmente matemáticamente. Simplemente no los observamos, ya que tal evento requeriría estados iniciales extremadamente finamente ajustados. Un fuerte aumento en la entropía hace que el proceso sea prácticamente irreversible, pero teóricamente reversible.

Y esto es cierto para todos los procesos, excepto la evaporación de los agujeros negros. Ningún ajuste fino devolverá la información perdida en el agujero negro. Este es el único caso conocido de irreversibilidad fundamental. Sabemos que esto es malo, pero no sabemos exactamente qué está mal. Por eso estamos preocupados.

La irreversibilidad en la mecánica cuántica, de la que habló en la pregunta, proviene del proceso de medición, pero la evaporación de la BH es irreversible incluso antes de que se hayan realizado las mediciones. Por supuesto, uno puede objetar: ¿por qué preocuparse tanto si todo lo que podemos observar todavía tendrá que medirse? Sí, tal objeción es posible, y ya ha sido utilizada. Pero en sí mismo, no elimina las contradicciones. De todos modos, debe mostrar cómo puede conciliar dos plataformas matemáticas.

Este problema ha atraído tanta atención porque sus matemáticas son muy claras y las consecuencias son globales. La evaporación de Hawking depende de las propiedades cuánticas de los campos materiales, pero no tiene en cuenta las propiedades cuánticas del espacio y el tiempo. Por lo tanto, generalmente se acepta que la cuantificación del espacio-tiempo es necesaria para eliminar las contradicciones. En el proceso de resolver el problema de la desaparición de la información, aprenderíamos algo nuevo en el campo de la teoría de la gravedad cuántica. Por lo tanto, la desaparición de información en el agujero negro es un misterio lógico excelente con enormes beneficios potenciales, lo que lo hace tan tentador.

Ahora sobre sociología. Es posible que haya notado que este problema no es tan nuevo. Ella apareció antes de mi nacimiento. A lo largo de mi vida, se han escrito miles de obras sobre él y se han propuesto cientos de soluciones, pero los teóricos no pueden ponerse de acuerdo sobre ninguna de ellas. Eso es porque no tienen que hacer esto: para esos BH que podemos observar (por ejemplo, en el centro de nuestra galaxia), la temperatura de radiación de Hawking es tan baja que no podemos medir las partículas voladoras. Por lo tanto, la evaporación de BH es una caja de arena ideal para el pensamiento matemático.



Para el problema de la pérdida de información, hay una solución obvia que se ha señalado durante mucho tiempo. Los BH destruyen información, porque todo lo que cae más allá del horizonte es singular y destruido. Pero la singularidad se considera un artefacto matemático, que en la teoría de la gravedad cuántica no debería serlo. Eliminar la singularidad: eliminar el problema.

De hecho, los cálculos de Hawking dejan de funcionar cuando el BH pierde casi toda su masa y se vuelve tan pequeño que la gravedad cuántica comienza a funcionar. Esto significa que la información simplemente explotará en la última fase, la fase de gravedad cuántica, y no ocurrirá ninguna contradicción.

Pero esta solución obvia también es inconveniente, porque si no sabes lo que sucede cerca de la singularidad y en casos con curvatura fuerte, no se puede calcular nada, ya que esto requerirá gravedad cuántica. Entonces esta idea no es muy fructífera. Pocos artículos científicos se pueden escribir con su ayuda, y pocos han escrito al respecto. Es mucho más fructífero suponer que los cálculos de Hawking están equivocados en otra parte.

Desafortunadamente, si profundiza en la literatura y trata de averiguar por qué la idea de que la información sale en una fase de fuerte curvatura fue rechazada, descubrirá que esta justificación es principalmente social, no científica.

Si la información se retrasa mucho tiempo en el agujero negro, esto significa que los agujeros negros pequeños deben contener muchas combinaciones diferentes de información. Varios artículos han argumentado que tales BH deberían emitir información lentamente, lo que significa que los BH pequeños deberían comportarse en la práctica como un número infinito de partículas. En este caso, afirman los autores de las obras, deberían aparecer en cantidades infinitas incluso en campos de fondo débiles (por ejemplo, al lado de la Tierra), lo que no se observa en la realidad.

Desafortunadamente, estos argumentos se basan en el supuesto infundado de que el interior del BH es pequeño. Pero en la relatividad general no existe una conexión obvia entre el área de superficie y el volumen, ya que el espacio puede ser curvo. La suposición de que los BH pequeños para los que la gravedad cuántica es fuerte puede describirse como partículas también carece de fundamento .

Como resultado, Leonard Sasskind escribió un trabajo rechazando la idea de que la información permanece en el agujero negro durante mucho tiempo y se libera al final de sus vidas. Esto hizo posible que todos los demás declararan que la solución obvia no funcionaba y comenzaran a lanzar innumerables trabajos nuevos con sus propios argumentos.

Perdón por el escepticismo, pero así es como evalúo esta situación. Incluso admito que yo mismo participé en esta montaña de papeles, porque el mundo científico funciona así. También necesito vivir de algo.

Esta es otra razón por la cual los físicos están tan preocupados por la desaparición de la información en el BH: dado que las discusiones sobre este tema no se limitan a datos experimentales, es muy fácil escribir artículos sobre él, y dado que tanta gente trabaja en este tema, tampoco hay citas problemas