Buracos negros e paredes acadêmicas

Cair em um buraco negro costumava ser simples: você não notaria nada. Mas uma parede pode aparecer no seu caminho?

Segundo Einstein, você não perceberia o momento de atravessar o horizonte de eventos de um buraco negro. Mas agora os pesquisadores estão provando que uma parede de incêndio (ou tijolo) pode aparecer no seu caminho. Todos enlouqueceram tudo de uma vez?



Tl; dr: Sim.

Às vezes, é muito difícil entender por que alguém perderá tempo resolvendo um problema acadêmico como a perda de informações em um buraco negro. E isso eu digo, tendo passado a maior parte da década passada pensando em buracos negros. Os físicos não têm mais nada a fazer em um mundo que sofre de guerra e doença, ou pelo menos erros gramaticais? O que motiva esses pesquisadores, além da esperança de entrar nas manchetes graças ao quebra-cabeça de 40 anos?



Hoje, muitos físicos estão trabalhando em tópicos como a perda de informações nos buracos negros que parecem divorciados da realidade. Buracos negros serão capazes de destruir informações após a evaporação completa, e isso não acontecerá nos próximos 100 bilhões de anos. O que impulsiona esses cientistas não é a aplicação prática de suas idéias, mas a constatação de que hoje alguém deve abrir o caminho para a ciência, que se tornará necessária em cem, mil ou dez mil anos. E lendo as manchetes das notícias que descrevem a bagunça que está acontecendo, acho que a pureza sobrenatural desse argumento e a lógica inevitável que leva ao paradoxo só lhe dão peso.

E eu posso me deixar levar com quebra-cabeças de arame.



Se a perda de informação nos buracos negros é um detetive espacial, a teoria quântica é uma vítima. Stephen Hawking mostrou no início dos anos 1970 que a combinação da teoria quântica com a gravidade nos dá radiação térmica de buracos negros. Essa "radiação Hawking" consiste em partículas que não contêm nenhuma informação além da temperatura. E quando o buraco negro evapora completamente, todas as informações sobre o que caiu nele são destruídas. Mas essa destruição de informação é incompatível com a própria teoria quântica, usada para provar essa conclusão. Na teoria quântica, todos os processos são reversíveis no tempo, mas a evaporação de um buraco negro, aparentemente, é irreversível.

E esse é um quebra-cabeça sério para os físicos, porque mostra que a teoria da gravidade e da quantum não deseja combinar. Explique o problema, apelando para a teoria desconhecida da gravidade quântica, também falhou. A radiação Hawking não é um processo gravitacional quântico e, embora em algum momento a gravidade quântica se torne importante nos estágios finais da evaporação do buraco negro, argumenta-se que a essa altura é tarde demais para extrair toda a informação.



A situação mudou drasticamente no final da década de 1990, quando Maldacena sugeriu que certas teorias da gravidade são equivalentes às teorias de calibre. Essa famosa “correspondência de calibre e gravidade” foi descoberta na teoria das cordas e, embora não tenha sido matematicamente comprovada, elimina o problema de perda de informações em um buraco negro, porque não importa o que aconteça durante a evaporação de um buraco negro, é descrito de forma equivalente na teoria dos calibres. Uma teoria dos medidores não mata informações e, portanto, não há problema.

Embora a conformidade da calibração e da gravidade tenha convencido muitos, inclusive o próprio Stephen Hawking, de que os buracos negros não destroem informações, ela não esclareceu como as informações escapam de um buraco negro. A pesquisa continuou, mas a complacência se espalhou entre os físicos teóricos. A teoria das cordas parece ter resolvido o paradoxo, e resta apenas uma questão de tempo antes de entendermos seus detalhes.



Mas tudo deu errado. Em 2012, um grupo de físicos Almheiri, Marolf, Polchinski e Sally (Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully - AMPS) mostrou que essa "decisão" era contraditória. Eles mostraram que as quatro suposições, cuja exatidão muitos acreditam nos teóricos das cordas, não podem ser cumpridas simultaneamente. Estas são as suposições:

1. Buracos negros não destroem informações.
2. .
3. , , .
4. , , .

A segunda suposição reformula a afirmação de que a radiação Hawking não é o efeito da gravidade quântica. Terceiro, a derivação de microestados de buracos negros na teoria das cordas a partir de cálculos. Quarto - o princípio da equivalência de Einstein. Em resumo, a AMPS diz que uma dessas suposições está incorreta. Uma das testemunhas está mentindo, mas quem exatamente?

Em seu trabalho, a AMPS sugeriu, talvez não muito a sério, abandonar a suposição menos disputada: a quarta. Se você abandonar o número 4, os outros três levarão ao fato de que um observador que cai em um buraco negro tropeça em uma "parede de fogo" e queima até o inferno. No entanto, o princípio da equivalência é o dogma da relatividade geral e só pode ser abandonado como último recurso.



Para um observador não iniciado, parece óbvio que a terceira testemunha está mentindo. Ao contrário de outras suposições que se seguem de teorias já conhecidas e com grande precisão, o número 3 segue de não verificado. Portanto, se jogarmos fora uma das suposições, talvez essa seja a suposição de que a teoria das cordas esteja certa sobre o conteúdo dos buracos negros. Mas essa possibilidade, é claro, não é muito popular entre os teóricos das cordas.

Dentro de alguns meses, a seção arxiv da física teórica de alta energia estava cheia de tentativas de conciliar essas suposições. Absolutamente todas as soluções foram propostas, desde a adoção da teoria da parede do fogo até experimentos de multiverso e complexos pensamentos, demonstrando que um observador que cai em um buraco negro não notaria que queimaria. Sim, aqui você tem física moderna.

Eu também contribuí para esta discussão. Achei todas as testemunhas convincentes, nenhuma delas causou a impressão de mentirosa. Aceitando isso, percebi que sua aparente incompatibilidade vinha da quinta suposição não anunciada usada na prova. Assim como testemunhos aparentemente conflitantes podem de repente fazer sentido quando você percebe que a vítima não foi morta onde você encontrou o corpo, essas quatro declarações fazem sentido quando você não precisa salvar as informações de uma certa maneira (de modo que seja final a condição não será "típica"). Em vez disso, o requisito de conservação de energia local próximo ao horizonte de eventos torna impossível a parede de fogo e, ao mesmo tempo, mostra como exatamente a evaporação de um buraco negro permanece compatível com a teoria quântica.



Parece-me que ninguém gostou do meu trabalho. Talvez devido ao fato de ter uma imagem incompreensível. Ou por causa da conclusão de que em algum lugar próximo ao horizonte de eventos há um limite que muda a teoria quântica e é invisível para qualquer observador que esteja perto de um buraco negro. Os efeitos produzidos por esse limite podem ser medidos, mas apenas a uma grande distância.

E, embora minha suposição tenha resolvido o quebra-cabeça com uma parede de incêndio, ela não resolveu o problema da perda de informações em um buraco negro. Mencionei em uma nota que, em princípio, você pode usar esse limite para transmitir informações à radiação emitida, mas ainda assim não explicaria como as informações atingem esse limite.

Após a publicação do trabalho, prometi novamente não pensar mais na evaporação do buraco negro. Mas, na semana passada, uma pré-impressão de 't Hooft apareceu em arxiv. Essa é uma das primeiras pessoas a mexer com a termodinâmica de um buraco negro, e em seu novo trabalho, Hooft sugere que o horizonte de eventos do buraco negro atue como uma borda refletindo informações - uma “parede de tijolos”, conforme descrito por New Scientist. A idéia foi inspirada na recente suposição de Steven Hawking de que a maioria das informações que caem em um buraco negro é armazenada no horizonte. Nesse caso, e você pode dar uma chance ao horizonte de trabalhar, então a informação poderá novamente sair do buraco negro.

Obviamente, não acho que os tijolos sejam uma grande melhoria em relação ao fogo e tenho certeza de que essa ideia não decolará. Mas depois de toda essa confusão, ele pode nos ajudar a entender melhor como exatamente o horizonte interage com a radiação Hawking e como ele consegue codificar informações nela.

Avanço rápido de mil anos. Estamos aguardando a teoria da gravidade quântica, que nos permite entender o comportamento do espaço e do tempo nas distâncias mais curtas e, como muitos esperam, a fonte da própria teoria quântica, ou mesmo a matéria. O progresso é pequeno, e às vezes a história nos leva a círculos, mas os físicos são apoiados pelo conhecimento de que soluções devem existir e que um assassino de informações será capturado. Não há truque para ler a última página do livro - ele ainda não foi escrito.

Source: https://habr.com/ru/post/pt397067/