Introdução ao paradoxo do desaparecimento da informação em um buraco negro

Este artigo fornece uma rápida introdução ao paradoxo do desaparecimento de informações em um buraco negro . Por questões de brevidade, alguns detalhes são omitidos. Além disso, deve-se notar que o entendimento atual do problema é tão confuso que a última parte do artigo não pode ser considerada confiável ou estável.


Fig. 1

Duas teorias conflitantes

Acredita-se que a matemática da teoria quântica, às vezes chamada de "mecânica quântica", governe todos os processos físicos da natureza. Pode ser usado não para prever eventos específicos, mas apenas para obter a probabilidade de que algo aconteça. Mas as probabilidades só fazem sentido se você somar todas as probabilidades de todos os diferentes resultados possíveis e obter uma soma igual a um. Uma teoria quântica na qual esse não é o caso não faz sentido. Uma conseqüência disso é que, na teoria quântica, a informação nunca é verdadeiramente perdida ou copiada; em princípio, você sempre pode determinar onde o sistema foi iniciado (seu estado inicial), tendo informações completas sobre o que foi concluído (estado final). Na fig. 1 mostra a colisão de duas partículas e a fuga do local de colisão de várias partículas que carregam, de forma criptografada, informações sobre a natureza e as propriedades das duas partículas originais.

A teoria geral da relatividade é a teoria da gravidade de Einstein, na qual a gravidade pode ser considerada como o efeito da curvatura do espaço e do tempo. GR não é uma teoria quântica. Ela prevê com precisão o que vai acontecer e não dá a probabilidade de resultados diferentes.

De 1915 a 1958, gradualmente se desenvolveu um entendimento de que objetos extremamente compactos e maciços se transformavam em buracos negros. Perto deles, a gravidade se torna extraordinariamente forte - tanto que o espaço-tempo é extremamente distorcido, e qualquer objeto que se aproxima demais deles e atravessa o horizonte do buraco negro - a superfície sem retorno - não pode escapar. Na fig. A Figura 2 mostra a formação de um horizonte de buracos negros no momento em que duas camadas de matéria se tornam suficientemente compactas. As informações sobre essas duas conchas se movem dentro do horizonte e não podem sair - em GR.


Fig. 2

Observe que é impossível desenhar corretamente os buracos negros e as informações dentro deles. Minhas ilustrações são incapazes de demonstrar a curvatura do espaço-tempo. Por exemplo, para um entendimento completo, você precisaria levar em consideração que o relógio dentro do buraco negro é completamente diferente do relógio fora do horizonte, o que, por sua vez, não funciona como um relógio remoto. Não leve minhas ilustrações muito a sério, demonstrando o lado conceitual, mas não técnico da questão.

O horizonte não é um objeto, mas um lugar além do qual a fuga se torna impossível. Uma analogia bem conhecida é um barco que se aproxima de uma cachoeira ao longo de um fluxo acelerado. Quando o barco passa na curva sem retorno (Fig. 3), seu motor fica incapaz de combater a corrente e inevitavelmente cairá. Mas o capitão do barco não notará o momento em que a curva cruza - essa é apenas uma parte comum do rio, cuja importância só ficará clara quando o capitão tentar evitar uma catástrofe. Da mesma forma, cruzando o horizonte em GR, você não notará nada; somente quando você tentar evitar o buraco negro, descobrirá que - oh - você chegou perto demais.


Fig. 3

O paradoxo do desaparecimento da informação em um buraco negro

O paradoxo surgiu depois de Hawking, em 1974-1975, mostrou que um buraco negro cercado por campos quânticos emitirá partículas (radiação Hawking) e encolherá (Fig. 4), como resultado da qual evaporará. Compare com a fig. 2, em que informações sobre duas conchas ficam presas dentro de um buraco negro. Na fig. 4 buraco negro desaparece. Para onde foram as informações? Se ele desapareceu junto com um buraco negro, isso viola a teoria quântica.


Fig. 4: 1) as conchas da matéria são comprimidas; 2) um horizonte é formado e a radiação Hawking aparece (na forma de partículas sem massa ou massa pequena, por exemplo, fótons, neutrinos ou gravitons); 3) A radiação Hawking retira energia, diminuindo o tamanho e a massa do buraco negro; 4) no final, o buraco negro desaparece completamente, deixando apenas a radiação Hawking. Simplificando, as informações que caíram em um buraco negro desaparecem, violando os princípios da teoria quântica. É necessário mudar a teoria quântica?

Talvez a informação retornou com a radiação Hawking? O problema é que a informação não pode escapar de um buraco negro. Ela não pode penetrar na radiação de Hocknig, exceto copiando o que resta lá dentro. Mas ter duas cópias da informação, uma interna e outra externa, também viola a teoria quântica.


Fig. 5: se a informação é copiada na radiação Hawking, isso viola a teoria quântica.

Certamente, o ponto pode ser que a teoria quântica esteja incompleta e que a física dos buracos negros nos obriga a expandi-la, já que Einstein expandiu as leis de Newton com sua teoria da relatividade. Era nisso que Hawking acreditava há trinta anos.

O princípio da complementaridade: salvando a teoria quântica

No entanto, outros acreditavam que não era a teoria quântica que precisava ser mudada, mas a teoria geral da relatividade. Em 1992, o "princípio da complementaridade" foi proposto, segundo o qual a informação é, de certo modo, interna e externamente, sem violar a teoria quântica. A suposição foi desenvolvida por Sasskind e seus jovens colegas. Especificamente, os observadores que permanecem fora do buraco negro veem como as informações se acumulam no horizonte e depois voam para longe com a radiação Hawking. Observadores que caem em um buraco negro veem informações dentro (Fig. 6). Como essas duas classes de observadores não podem se comunicar, um paradoxo não surge.


Fig. 6: O princípio da complementaridade diz que tudo depende do ponto de vista. O observador de fora (2a) vê as informações armazenadas no exterior e (3a) transmitidas à radiação Hawking. Um observador que cai para dentro (2b) vê informações dentro.

E, no entanto, essa suposição é potencialmente contraditória internamente e requer que algumas coisas estranhas sejam verdadeiras. Entre eles está o que é chamado de "holografia", uma idéia desenvolvida por 't Hooft e depois por Sasskind. A idéia é que a física do conteúdo tridimensional de um buraco negro, no qual a gravidade obviamente funciona, possa ser considerada, através de uma transformação misteriosa, como a física, localizada diretamente acima do horizonte bidimensional, onde é descrita por equações bidimensionais, nas quais a gravidade não entra!


Fig. 7: É interessante que seja possível descrever o interior de um buraco negro através de sua parte externa, o que foi demonstrado no final dos anos 90 e no início dos anos 2000. A teoria das cordas, que contém uma versão quântica do GR, pode fazer isso em alguns casos.

Curiosamente, essa teoria recebeu confirmação substancial no final dos anos 90, pelo menos em algumas situações. Em 1997, Muldacena sugeriu (e centenas de pessoas testaram essa suposição de maneiras diferentes) que, sob certas condições , a teoria das cordas (uma generalização quântica de GR, um candidato à teoria das leis da natureza do nosso Universo) é equivalente à teoria quântica (especificamente, teoria quântica de campos ) sem gravidade e em menor medida número de medições. Esse relacionamento, conhecido como AdS / CFT ou "correspondência de campo / sequência", merece um artigo separado.

O sucesso da holografia fortaleceu a crença na verdade do princípio da complementaridade. Além disso, a correspondência campo / corda tornou possível mostrar de maneira convincente que pequenos buracos negros podem se formar e evaporar na teoria das cordas em um processo que pode ser descrito pela teoria quântica de campos correspondente (embora não em detalhes) - e, portanto, esse processo, como qualquer outro o processo na teoria quântica ocorre com a preservação da informação! Em 2005, até Hawking aceitou esse ponto de vista - que, como supõe o princípio da complementaridade, as informações não são perdidas nos buracos negros e que a GR deve ser alterada, não a teoria quântica.

Firewall e bagunça atual

No entanto, em princípio de complementaridade, houve inconsistências. A evaporação dos buracos negros é tão lenta que, na teoria quântica, não há equações que descrevam esse processo. Em busca dessas equações, Almheiri, Morolf, Polchinski e Sally descobriram que, sob suposições razoáveis, o princípio da complementaridade contém uma contradição interna que se manifesta quando o buraco negro evapora na metade do caminho. A prova é bastante complicada, inclui emaranhamento quântico, que Einstein chamou de "assustador" e que é usado em computadores quânticos. Grosso modo, no meio do processo, tanta informação desaparece do buraco negro através da radiação Hawking que não é suficiente exibir o interior do buraco negro no horizonte usando holografia. Portanto, em vez de o observador cair interiormente calmamente atravessando o horizonte inofensivo, como na Fig. 6, o observador não encontrará interior e é muito difícil - ele fritará um firewall (parede de fogo) pendurado diretamente acima do horizonte (Fig. 8).


Fig. 8

A possibilidade de um firewall exigiria mudanças drásticas no GR. No caso da verdade, aconteceria que a descrição de buracos negros na GR, com um grande volume interno, com um horizonte representando apenas um ponto sem retorno (como na Fig. 3), e não um lugar especial onde algo acontece, acabaria sendo completamente errado após o buraco negro evaporar substancialmente.

Então o paradoxo está de volta! E pior ainda. Acontece que, se a teoria quântica e o princípio da complementaridade forem verdadeiros, a GR não deve ser parcialmente alterada - ela deve ser seriamente refeita! E nenhum sinal de tal alteração é observado na teoria das cordas, que oferece um exemplo de holografia. Mas a correspondência de campos / cordas sugere que a teoria quântica pode descrever a formação e a evaporação de buracos negros, para que a informação não desapareça. O princípio da complementaridade pode ser substituído por alguma coisa? Ou algum argumento está criando um paradoxo errado?

Todo mundo está confuso. Existem muitas sugestões para resolver este quebra-cabeça. A maioria deles não chega até você. A mídia fala sobre Hawking porque ele é famoso, mas ele é apenas uma das muitas vozes discutindo idéias diferentes. Todas essas idéias sofrem de um problema: a falta de equações para provar e explicar os detalhes de como elas funcionam. E como a falta de equações levou ao paradoxo do firewall, dificilmente se pode sair dessa situação, contando com outra suposição com um número insuficiente de equações!

Mas, embora Hawking seja apenas um dos muitos proponentes, e embora não haja equações suficientes em sua suposição, provavelmente será incompleto e possivelmente incorreto - você provavelmente desejará saber o que ele sugeriu. É bastante difícil entender isso sem equações, mas aqui está como eu posso explicar isso (Fig. 9). Hawking observa que, embora a parte externa dos buracos negros seja rapidamente simplificada, seu interior pode ser muito complexo. Sistemas complexos, como o clima, mostram as propriedades do caos, que podem torná-los imprevisíveis mesmo antes de usar a teoria quântica. Ele sugere que essa complexidade desestabiliza o horizonte e permite que as informações criptografadas dentro do buraco negro vazem. Como isso violaria os teoremas de Hawking sobre a relatividade geral, presumo que isso significa que a relatividade geral deve ser alterada. E como sua suposição é baseada em AdS / CFT (correspondência de campo / string), presumo que ele acredite que isso deva acontecer na teoria das cordas. E como o que entrou no buraco negro ainda sai dele, esses buracos não são realmente pretos - então chame-os de "buracos cinzentos" ou "estados gravitacionais limitados metaestáveis" ou "à primeira vista buracos negros "- mas" negros "pode ​​não ser o termo certo.


Fig. 9: Peço desculpas a Hawking, porque nem eu nem ninguém do meu círculo sabemos exatamente o que ele quer dizer. Então, eu tive que fazer um esboço do que acho que ele está tentando propor.

Mas existem muitos problemas óbvios com essa proposta, o menor dos quais é que o mistério do firewall já aparece no buraco negro meio vaporizado e não no final de sua vida útil. Portanto, o buraco negro permanece grande o suficiente quando as informações já começam a vazar - e é muito difícil se reconciliar com a proposta de Hawking. Portanto, não espere que surja consenso sobre a proposta de Hawking, especialmente sem quaisquer equações específicas a serem resolvidas.

De qualquer forma, tudo o que você aprendeu sobre buracos negros ainda é essencialmente verdade. Os astrofísicos não precisam se preocupar com mudanças no que pensam saber sobre buracos negros estelares ou galácticos. Pelo menos para buracos negros grandes e não muito antigos, a proposta de Hawking não levará a alterações mensuráveis. E se você cair em um buraco, ainda não poderá sair ou enviar uma mensagem para alguém de fora. Portanto, mesmo que aconteçam buracos negros estritos, no centro de quase todas as galáxias do Universo ainda haverá um buraco "suficientemente preto".

Não espere que esse quebra-cabeça de 40 anos seja resolvido em breve. Provavelmente, sua decisão será oferecida por algum jovem físico, sobre quem você não conhece nada, ou mesmo uma pessoa que ainda não nasceu.