Pengantar Paradox Penghilangan Informasi di dalam Lubang Hitam

Artikel ini menyediakan pengantar cepat untuk paradoks hilangnya informasi dalam black hole . Untuk singkatnya, beberapa detail dihilangkan. Selain itu, perlu dicatat bahwa pemahaman masalah saat ini sangat membingungkan sehingga bagian terakhir dari artikel tidak dapat dianggap dapat diandalkan atau stabil.


Fig. 1

Dua teori yang saling bertentangan

Diyakini bahwa matematika teori kuantum, kadang-kadang disebut "mekanika kuantum", mengatur semua proses fisik di alam. Dapat digunakan untuk tidak memprediksi peristiwa tertentu, tetapi hanya untuk mendapatkan kemungkinan bahwa sesuatu akan terjadi. Tetapi probabilitas hanya masuk akal jika Anda menjumlahkan semua probabilitas dari semua hasil yang mungkin berbeda dan mendapatkan jumlah yang sama dengan satu. Teori kuantum di mana ini bukan masalahnya tidak masuk akal. Salah satu konsekuensi dari ini adalah bahwa dalam teori kuantum informasi tidak pernah benar-benar hilang atau disalin; pada prinsipnya, Anda selalu dapat menentukan di mana sistem dimulai (keadaan awal), memiliki informasi lengkap tentang apa yang selesai (keadaan akhir). Dalam gbr. Gambar 1 menunjukkan tabrakan dua partikel dan pelarian dari tempat tabrakan beberapa partikel yang membawa, dalam bentuk terenkripsi, informasi tentang sifat dan sifat-sifat dua partikel asli.

Teori relativitas umum adalah teori gravitasi Einstein, di mana gravitasi dapat dianggap sebagai efek kelengkungan ruang dan waktu. GR bukan teori kuantum. Dia secara akurat memprediksi apa yang akan terjadi, dan tidak memberikan kemungkinan hasil yang berbeda.

Dari tahun 1915 hingga 1958, pemahaman secara bertahap berkembang bahwa benda yang sangat padat dan besar berubah menjadi lubang hitam. Di dekat mereka, gravitasi menjadi sangat kuat - sedemikian rupa sehingga ruang-waktu sangat terdistorsi, dan benda apa pun yang terlalu dekat dengannya dan melintasi cakrawala lubang hitam - permukaan tanpa kembali - tidak dapat melarikan diri. Dalam gbr. Gambar 2 menunjukkan pembentukan cakrawala lubang hitam pada saat ketika dua cangkang materi menjadi cukup kompak. Informasi tentang dua cangkang ini bergerak di dalam cakrawala dan tidak dapat pergi ke luar - dalam GR.


Fig. 2

Perhatikan bahwa tidak mungkin untuk menggambar lubang hitam dengan benar dan informasi di dalamnya. Ilustrasi saya tidak dapat menunjukkan kelengkungan ruangwaktu. Misalnya, untuk pemahaman yang lengkap, Anda perlu mempertimbangkan bahwa jam di dalam lubang hitam benar-benar berbeda dari jam di luar cakrawala, yang, pada gilirannya, tidak berjalan seperti jam jarak jauh. Jangan menganggap ilustrasi saya terlalu serius, menunjukkan sisi konseptualnya, tetapi tidak teknis.

Cakrawala bukanlah objek, tetapi tempat di mana pelarian menjadi mustahil. Analogi yang terkenal adalah perahu yang mendekati air terjun di sepanjang aliran air yang deras. Ketika kapal melewati kurva no return (Gbr. 3), motornya menjadi tidak mampu melawan arus, dan pasti akan jatuh. Tetapi kapten kapal tidak akan menyadari saat kurva melintas - ini hanya bagian biasa dari sungai, yang kepentingannya akan menjadi jelas hanya ketika kapten berusaha menghindari bencana. Dengan cara yang sama, melintasi cakrawala dalam GR, Anda tidak akan melihat apa pun; hanya ketika Anda mencoba menghindari lubang hitam Anda akan menemukan bahwa - oh - Anda terlalu dekat.


Fig. 3

Paradoks hilangnya informasi di dalam lubang hitam

Paradoks muncul setelah Hawking pada 1974-1975 menunjukkan bahwa lubang hitam yang dikelilingi oleh medan kuantum akan memancarkan partikel (radiasi Hawking) dan menyusut (Gambar 4), akibatnya akan menguap. Bandingkan dengan ara. 2, di mana informasi tentang dua kerang terjebak di dalam lubang hitam. Dalam gbr. 4 lubang hitam menghilang. Kemana perginya informasi? Jika menghilang bersama lubang hitam, ini melanggar teori kuantum.


Fig. 4: 1) cangkang materi dikompresi; 2) cakrawala terbentuk, dan radiasi Hawking muncul (dalam bentuk partikel tanpa massa atau massa kecil, misalnya, foton, neutrino atau graviton); 3) Radiasi Hawking menghilangkan energi, menyebabkan ukuran dan massa lubang hitam menyusut; 4) pada akhirnya, lubang hitam benar-benar menghilang, hanya menyisakan radiasi Hawking. Sederhananya, informasi yang jatuh ke lubang hitam menghilang, melanggar prinsip-prinsip teori kuantum. Apakah perlu mengubah teori kuantum?

Mungkin informasi itu dikembalikan dengan radiasi Hawking? Masalahnya adalah bahwa informasi tidak dapat lepas dari lubang hitam. Dia tidak bisa masuk ke radiasi Hocknig, kecuali dengan menyalin apa yang tersisa di dalam. Tetapi memiliki dua salinan informasi, satu di dalam dan satu di luar, juga melanggar teori kuantum.


Fig. 5: jika informasi disalin ke radiasi Hawking, ini melanggar teori kuantum.

Tentu saja, intinya mungkin bahwa teori kuantum tidak lengkap, dan bahwa fisika lubang hitam memaksa kita untuk memperluasnya, karena Einstein memperluas hukum Newton dengan teori relativitasnya. Itulah yang diyakini Hawking selama tiga puluh tahun.

Prinsip saling melengkapi: menyimpan teori kuantum

Namun, yang lain percaya bahwa bukan teori kuantum yang perlu diubah, tetapi teori relativitas umum. Pada tahun 1992, "prinsip saling melengkapi" diusulkan, yang menurutnya, informasi dalam arti, baik di dalam maupun di luar, tanpa melanggar teori kuantum. Asumsi ini dikembangkan oleh Sasskind dan rekan-rekan mudanya. Secara khusus, pengamat yang tetap berada di luar lubang hitam melihat bagaimana informasi terakumulasi di cakrawala, dan kemudian terbang dengan radiasi Hawking. Pengamat jatuh ke dalam lubang hitam melihat informasi di dalamnya (Gbr. 6). Karena dua kelas pengamat ini tidak dapat berkomunikasi, sebuah paradoks tidak muncul.


Fig. 6: Prinsip saling melengkapi mengatakan bahwa semuanya tergantung pada sudut pandang. Pengamat di luar (2a) melihat informasi yang disimpan di luar, dan (3a) ditransmisikan ke radiasi Hawking. Seorang pengamat yang jatuh ke dalam (2b) melihat informasi di dalamnya.

Namun, asumsi ini berpotensi bertentangan secara internal, dan memerlukan beberapa hal aneh untuk menjadi kenyataan. Di antara mereka adalah apa yang disebut "holografi," sebuah ide yang dikembangkan oleh 't Hooft, dan kemudian Sasskind. Idenya adalah bahwa fisika kandungan tiga dimensi dari lubang hitam, di mana gravitasi jelas bekerja, dapat dipertimbangkan, melalui transformasi misterius, sebagai fisika, yang terletak tepat di atas cakrawala dua dimensi, di mana ia dijelaskan oleh persamaan dua dimensi, di mana gravitasi tidak masuk sama sekali!


Fig. 7: Sangat menarik bahwa mungkin untuk menggambarkan bagian dalam lubang hitam melalui bagian luarnya, ini ditunjukkan pada akhir 1990-an dan awal 2000-an. Teori string, yang berisi versi kuantum GR, dapat melakukan ini dalam beberapa kasus.

Anehnya, teori ini menerima konfirmasi substansial pada akhir 1990-an, setidaknya untuk beberapa situasi. Pada tahun 1997, Maldacena menyarankan (dan ratusan orang menguji asumsi ini dengan cara yang berbeda) bahwa dalam kondisi tertentu , teori string (generalisasi kuantum GR, kandidat untuk teori hukum alam Semesta kita) setara dengan teori kuantum (khususnya, teori medan kuantum ) tanpa gravitasi dan pada tingkat yang lebih rendah jumlah pengukuran. Hubungan ini, yang dikenal sebagai AdS / CFT atau “pencocokan bidang / string,” layak mendapatkan artikel terpisah.

Keberhasilan holografi memperkuat keyakinan akan kebenaran prinsip saling melengkapi. Selain itu, korespondensi bidang / string memungkinkan untuk menunjukkan dengan cukup meyakinkan bahwa lubang hitam kecil dapat terbentuk dan menguap dalam teori string dalam proses yang dapat dijelaskan oleh teori medan kuantum yang sesuai (meskipun tidak secara detail) - dan karena itu proses ini, seperti yang lainnya sebuah proses dalam teori kuantum, dengan pelestarian informasi! Pada 2005, bahkan Hawking menerima sudut pandang ini - bahwa, seperti yang diasumsikan oleh prinsip saling melengkapi, informasi tidak hilang dalam lubang hitam, dan bahwa GR harus diubah, bukan teori kuantum.

Firewall dan kekacauan saat ini

Namun, pada prinsip saling melengkapi ada ketidakkonsistenan. Penguapan lubang hitam sangat lambat sehingga dalam teori kuantum tidak ada persamaan yang menggambarkan proses ini. Dalam mencari persamaan ini, Almheiri, Morolf, Polchinski, dan Sally menemukan bahwa, di bawah asumsi yang masuk akal, prinsip saling melengkapi mengandung kontradiksi internal yang memanifestasikan dirinya ketika lubang hitam menguap sekitar setengah jalan. Buktinya cukup rumit, itu termasuk keterikatan kuantum, yang disebut Einstein "menyeramkan", dan yang digunakan dalam komputer kuantum. Secara kasar, sekitar pertengahan proses, begitu banyak informasi menghilang dari lubang hitam melalui radiasi Hawking sehingga tidak cukup untuk menampilkan bagian dalam lubang hitam di cakrawala menggunakan holografi. Oleh karena itu, alih-alih pengamat jatuh ke dalam dengan tenang melewati cakrawala yang tidak berbahaya, seperti pada Gambar. 6, pengamat tidak akan menemukan bagian dalam, dan sangat keras - ia akan menggoreng firewall (dinding api) yang tergantung langsung di atas cakrawala (Gbr. 8).


Fig. 8

Kemungkinan firewall akan membutuhkan perubahan drastis dalam GR. Dalam kasus kebenaran, akan muncul bahwa deskripsi lubang hitam dalam GR, dengan volume internal yang besar, dengan cakrawala yang hanya mewakili titik tidak dapat kembali (seperti pada Gambar. 3), dan bukan tempat khusus di mana sesuatu terjadi, akan berubah menjadi sepenuhnya salah setelah lubang hitam akan menguap secara substansial.

Jadi paradoksnya kembali! Dan bahkan lebih buruk. Ternyata jika teori kuantum dan prinsip saling melengkapi itu benar, GR tidak boleh diubah sebagian - itu harus diulang secara serius! Dan tidak ada tanda-tanda pengerjaan ulang seperti itu yang diamati dalam teori string, yang menawarkan contoh holografi. Tetapi korespondensi bidang / string menunjukkan bahwa teori kuantum dapat menggambarkan pembentukan dan penguapan lubang hitam, sehingga informasi tidak hilang. Bisakah prinsip saling melengkapi digantikan oleh apa pun? Atau adakah argumen yang menciptakan paradoks yang salah?

Semua orang bingung. Ada banyak saran untuk menyelesaikan teka-teki ini. Sebagian besar dari mereka tidak mencapai Anda. Media memberitahumu tentang Hawking karena dia terkenal, tetapi dia hanyalah satu dari begitu banyak suara yang mendiskusikan berbagai ide. Semua ide ini menderita dari satu masalah: kurangnya persamaan untuk membuktikan dan menjelaskan detail bagaimana mereka bekerja. Dan karena kurangnya persamaan menyebabkan paradoks firewall, seseorang hampir tidak bisa keluar dari situasi ini, mengandalkan asumsi lain dengan jumlah persamaan yang tidak mencukupi!

Tetapi, meskipun Hawking hanyalah salah satu dari banyak pengusul, dan meskipun tidak ada cukup persamaan dalam asumsinya, kemungkinan besar itu tidak lengkap, dan mungkin salah - Anda mungkin ingin tahu apa yang disarankannya. Agak sulit untuk memahami ini tanpa persamaan, tetapi di sini adalah bagaimana saya dapat menjelaskannya (Gbr. 9). Hawking mencatat bahwa meskipun bagian luar dari lubang hitam cepat disederhanakan, bagian dalamnya bisa sangat kompleks. Sistem yang kompleks, seperti cuaca, menunjukkan sifat kekacauan, yang dapat membuatnya tidak dapat diprediksi bahkan sebelum menggunakan teori kuantum. Dia menyarankan bahwa kompleksitas ini mengacaukan cakrawala dan memungkinkan informasi yang dienkripsi di dalam lubang hitam bocor. Karena ini akan melanggar teorema Hawking tentang relativitas umum, saya berasumsi bahwa ini berarti bahwa relativitas umum harus diubah. Dan karena asumsinya didasarkan pada AdS / CFT (pencocokan bidang / string), saya berasumsi bahwa ia percaya ini harus terjadi dalam teori string. Dan karena apa yang masuk ke dalam lubang hitam masih keluar dari lubang itu, lubang-lubang ini tidak benar-benar hitam - jadi sebut saja "lubang abu-abu", atau "keadaan gravitasi terikat metastabil", atau "pada pandangan pertama lubang hitam "- tetapi" orang kulit hitam "mungkin bukan istilah yang tepat.


Fig. 9: Saya minta maaf kepada Hawking, karena baik saya maupun siapa pun di lingkaran saya tidak tahu persis apa maksudnya. Jadi saya harus membuat sketsa kasar dari apa yang saya pikir dia coba ajukan.

Tetapi ada banyak masalah nyata dengan proposal ini, tidak sedikit di antaranya adalah bahwa misteri firewall sudah muncul di lubang hitam setengah menguap, dan bukan pada akhir hidupnya. Oleh karena itu, lubang hitam tetap cukup besar ketika informasi sudah mulai bocor - dan sangat sulit untuk berdamai dengan proposal Hawking. Jadi jangan menunggu konsensus muncul tentang proposal Hawking, terutama tanpa persamaan khusus untuk dipecahkan.

Bagaimanapun, semua yang Anda pelajari tentang lubang hitam pada dasarnya masih benar. Para ahli astrofisika tidak perlu khawatir tentang perubahan dalam apa yang mereka pikir tahu tentang lubang hitam bintang atau galaksi. Setidaknya untuk lubang hitam besar dan tidak terlalu tua, proposal Hawking tidak akan menyebabkan perubahan yang terukur. Dan jika Anda jatuh ke dalam lubang, Anda masih tidak bisa keluar, atau mengirim pesan kepada seseorang di luar. Jadi, bahkan jika ternyata lubang hitam yang ketat tidak ada, di pusat hampir setiap galaksi di Semesta masih akan ada lubang "cukup hitam".

Jangan berharap puzzle berusia 40 tahun ini segera diselesaikan. Kemungkinan besar, keputusannya akan ditawarkan oleh beberapa ahli fisika muda, tentang siapa Anda tidak tahu apa-apa, atau bahkan orang yang belum lahir.