Lubang hitam dengan jet dan disk akresiBee,
Mengapa fisikawan begitu khawatir tentang lenyapnya informasi dalam lubang hitam, karena ada proses ireversibel lainnya, apalagi, yang sifatnya agak rutin. Salah satu contoh nyata adalah peningkatan entropi dalam sistem yang terisolasi, dan yang lainnya adalah pengukuran dalam mekanika kuantum.
Salam, Petteri.
Dear Petteri,
Ini pertanyaan yang sangat bagus. Kebingungan terkait erat dengan paradoks informasi sebagai disk akresi dengan lubang hitam supermasif. Beberapa minggu yang lalu, saya menemukan bahwa bahkan suami saya tidak benar-benar memahami masalah ini, dan dia tidak hanya memiliki gelar doktor dalam bidang fisika, dia juga bertahan dalam pembicaraan saya tentang masalah ini selama 15 tahun!
Jadi saya akan dengan senang hati menjelaskan mengapa ahli teori sangat khawatir tentang informasi dan BH. Masalah ini memiliki dua aspek: ilmiah dan sosial. Mari kita mulai dengan yang ilmiah.
Dalam teori relativitas umum klasik, black hole tidak menimbulkan masalah tertentu. Tentu saja, mereka mengandung singularitas di mana kelengkungan berubah menjadi tak terbatas - dan ini dianggap bertentangan dengan semangat fisika - tetapi para BH menyembunyikannya di luar cakrawala peristiwa, sebagai akibatnya kelengkungan itu tidak membahayakan siapa pun.
Tetapi, seperti yang ditunjukkan Stephen Hawking, mengingat bahwa Semesta, termasuk ruang hampa, diisi dengan bidang material kuantum, Anda dapat menghitung bahwa lubang hitam memancarkan partikel; proses ini sekarang disebut "radiasi Hawking." Kombinasi gravitasi non-kuantisasi dengan bidang material kuantum ini dikenal sebagai gravitasi "semi klasik", dan harus berfungsi sebagai perkiraan yang baik sampai efek kuantum gravitasi dapat diabaikan, yaitu, sampai Anda sangat dekat dengan singularitas.
Radiasi Hawking terdiri dari pasangan partikel terjerat. Pada masing-masing pasangan, satu partikel jatuh ke dalam lubang hitam, dan yang lainnya lari. Hal ini menyebabkan hilangnya massa BH, yaitu, BH dikompresi. Pada akhirnya, ia benar-benar kehilangan massa, dan sebagai hasilnya, hanya partikel radiasi Hawking yang tersebar di mana-mana yang tersisa.
Masalahnya adalah partikel pelarian tidak mengandung informasi apa pun tentang apa yang membentuk lubang hitam. Selain itu, informasi dari mitra partikel ini yang telah jatuh di BH juga hilang. Jika kita mempelajari efek samping penguapan BH, kita tidak bisa mengatakan apa keadaan awalnya; Anda hanya dapat menghitung massa total, muatan, dan momentum sudut - tiga "rambut" lubang hitam (
dan satu qubit ). Ternyata penguapan BH tidak dapat dipulihkan.
Namun dalam
teori medan kuantum (CFT), proses ireversibel tidak ada. Berbicara dalam jargon teknis, BH mengubah keadaan murni menjadi campuran, yang seharusnya tidak terjadi sama sekali. Oleh karena itu, penguapan BH menyebabkan kontradiksi internal: Anda menggabungkan KTP dengan GR, tetapi hasilnya tidak sesuai dengan KTP.
Menjawab pertanyaan: meningkatkan entropi biasanya tidak menyiratkan kemunduran mendasar, hanya praktis. Entropi meningkat karena fakta bahwa kemungkinan melihat proses sebaliknya kecil. Namun pada prinsipnya, setiap proses harus dapat dibalik: memecahkan telur, menguleni tepung, membakar buku - proses yang berlawanan dengan ini dapat dengan mudah dijelaskan secara matematis. Kami hanya tidak mengamatinya, karena peristiwa seperti itu akan membutuhkan kondisi awal yang sangat baik disetel. Peningkatan entropi yang kuat membuat prosesnya praktis tidak dapat dibalikkan, tetapi secara teoritis bisa dibalik.
Dan ini berlaku untuk semua proses kecuali penguapan lubang hitam. Tidak ada fine-tuning akan mengembalikan informasi yang hilang di lubang hitam. Ini adalah satu-satunya kasus irreversibilitas mendasar yang diketahui. Kita tahu bahwa ini buruk, tetapi kita tidak tahu apa sebenarnya yang salah. Karena itu kami khawatir.
Irreversibilitas dalam mekanika kuantum, yang Anda bicarakan dalam pertanyaan, berasal dari proses pengukuran, tetapi penguapan BH tidak dapat diubah bahkan sebelum pengukuran dilakukan. Tentu saja, seseorang dapat menolak - mengapa harus sangat khawatir jika segala sesuatu yang dapat kita amati masih harus diukur? Ya, keberatan semacam itu dimungkinkan, dan itu sudah digunakan. Tetapi dalam dirinya sendiri, itu tidak menghilangkan kontradiksi. Bagaimanapun, Anda perlu menunjukkan bagaimana Anda dapat merekonsiliasi dua platform matematika.
Masalah ini telah menarik perhatian seperti itu karena matematikanya sangat jelas, dan konsekuensinya global. Penguapan Hawking tergantung pada sifat kuantum bidang material, tetapi tidak memperhitungkan sifat kuantum ruang dan waktu. Oleh karena itu, secara umum diterima bahwa kuantifikasi ruang-waktu diperlukan untuk menghilangkan kontradiksi. Dalam proses penyelesaian masalah hilangnya informasi, kita akan belajar sesuatu yang baru di bidang teori gravitasi kuantum. Oleh karena itu, lenyapnya informasi dalam black hole adalah misteri logis yang sangat baik dengan potensi manfaat yang sangat besar - ini membuatnya begitu menggoda.
Sekarang tentang sosiologi. Anda mungkin telah memperhatikan bahwa masalah ini tidak begitu baru. Dia muncul sebelum kelahiran saya. Sepanjang hidup saya, ribuan karya telah ditulis di atasnya, dan ratusan solusi telah diajukan, tetapi para ahli teori tidak dapat menyetujui salah satu dari mereka. Itu karena mereka tidak perlu melakukan ini: untuk BH yang dapat kita amati (misalnya, di pusat Galaksi kita), suhu radiasi Hawking sangat rendah sehingga kita tidak akan dapat mengukur partikel terbang. Oleh karena itu, penguapan BH adalah kotak pasir yang ideal untuk pemikiran matematika.
Untuk masalah kehilangan informasi, ada solusi jelas yang telah ditunjukkan sejak lama. BH menghancurkan informasi, karena segala sesuatu yang berada di luar cakrawala adalah tunggal dan hancur. Tetapi singularitas dianggap sebagai artefak matematika, yang dalam teori gravitasi kuantum seharusnya tidak. Hapus singularitas - hapus masalah.
Memang, perhitungan Hawking berhenti bekerja ketika BH kehilangan hampir semua massanya dan menjadi sangat kecil sehingga gravitasi kuantum mulai bekerja. Ini berarti bahwa informasi hanya akan pecah di fase terakhir, fase gravitasi kuantum, dan tidak ada kontradiksi yang akan terjadi.
Tetapi solusi yang jelas ini juga tidak nyaman, karena jika Anda tidak tahu apa yang terjadi di dekat singularitas dan dalam kasus dengan kelengkungan yang kuat, tidak ada yang dapat dihitung, karena ini akan memerlukan gravitasi kuantum. Jadi ide ini tidak terlalu berhasil. Beberapa makalah ilmiah dapat ditulis dengan bantuannya, dan hanya sedikit yang menulis tentangnya. Jauh lebih bermanfaat untuk mengasumsikan bahwa perhitungan Hawking salah di tempat lain.
Sayangnya, jika Anda menggali literatur dan mencoba mencari tahu atas dasar apa gagasan bahwa informasi yang keluar dalam fase kelengkungan yang kuat ditolak, Anda akan menemukan bahwa pembenaran ini terutama bersifat sosial, bukan ilmiah.
Jika informasi tersebut tertunda lama di black hole, ini berarti black hole kecil harus mengandung banyak kombinasi informasi yang berbeda. Beberapa makalah berpendapat bahwa BH seperti itu harus memancarkan informasi secara perlahan, yang berarti bahwa BH kecil harus berperilaku dalam praktik sebagai jumlah partikel yang tak terbatas. Dalam hal ini, penulis karya mengklaim, mereka harus muncul dalam jumlah tak terbatas bahkan di bidang latar belakang yang lemah (misalnya, di sebelah Bumi), yang tidak diamati dalam kenyataan.
Sayangnya, argumen ini didasarkan pada asumsi yang tidak berdasar bahwa bagian dalam BH kecil. Tetapi dalam relativitas umum tidak ada hubungan yang jelas antara luas permukaan dan volume, karena ruang dapat melengkung. Asumsi bahwa BH kecil yang memiliki gravitasi kuantum kuat dapat digambarkan sebagai partikel
juga tidak berdasar .
Akibatnya,
Leonard Sasskind menulis sebuah karya yang menolak gagasan bahwa informasi tetap berada di lubang hitam untuk waktu yang lama dan dirilis pada akhir kehidupan mereka. Ini memungkinkan semua orang untuk menyatakan bahwa solusi yang jelas tidak berhasil, dan mulai melepaskan karya baru yang tak terhitung jumlahnya dengan argumen mereka sendiri.
Maaf atas skeptisisme, tapi itulah cara saya menilai situasi ini. Saya bahkan mengakui bahwa saya sendiri punya andil dalam tumpukan makalah ini, karena dunia ilmiah bekerja begitu saja. Saya juga perlu hidup dengan sesuatu.
Ini adalah alasan lain mengapa fisikawan sangat khawatir dengan lenyapnya informasi dalam BH: karena diskusi tentang topik ini tidak terbatas pada data eksperimental, sangat mudah untuk menulis makalah tentang itu, dan karena begitu banyak orang mengerjakan topik ini, tidak ada kutipan juga masalah.