Por que os físicos estão tão preocupados com o paradoxo do desaparecimento de informações em um buraco negro

Buraco negro com jatos e disco de acreção

Caro Dr. Bee,

Por que os físicos estão tão preocupados com o desaparecimento de informações em um buraco negro, porque existem outros processos irreversíveis, além disso, de natureza bastante rotineira. Um exemplo óbvio é um aumento na entropia em um sistema isolado, e o outro são medições na mecânica quântica.

Atenciosamente, Petteri.

Dear Petteri,

Esta é uma pergunta muito boa. A confusão está intimamente relacionada ao paradoxo da informação como um disco de acreção com um buraco negro supermassivo. Algumas semanas atrás, descobri que mesmo meu marido não entendia esse problema, e ele não tinha apenas um doutorado em física, ele também aguentou minha conversa sobre esse assunto por 15 anos!

Ficarei feliz em explicar por que os teóricos estão tão preocupados com informações e BH. Esse problema tem dois aspectos: científico e social. Vamos começar com o científico.

Na teoria geral clássica da relatividade, os buracos negros não apresentam problemas particulares. Obviamente, eles contêm uma singularidade na qual a curvatura se transforma em infinito - e isso é considerado contrário ao espírito da física - mas os BHs a escondem além do horizonte de eventos, como resultado do qual não prejudica ninguém.

Mas, como Stephen Hawking apontou, considerando que o Universo, incluindo o vácuo, é preenchido com campos de material quântico, você pode calcular que os buracos negros emitem partículas; hoje esse processo é chamado de "radiação Hawking". Essa combinação de gravidade não quantizada com campos de material quântico é conhecida como gravidade "semi-clássica" e deve servir como uma boa aproximação até que os efeitos quânticos da gravidade possam ser negligenciados, ou seja, até que você esteja muito próximo da singularidade.

A radiação Hawking consiste em pares de partículas emaranhadas. Em cada um dos pares, uma partícula cai no buraco negro e a outra foge. Isso leva a uma perda de massa de BH, ou seja, BH é compactada. No final, perde completamente a massa e, como resultado, apenas as partículas de radiação Hawking espalhadas por toda parte permanecem.

O problema é que as partículas descontroladas não contêm nenhuma informação sobre o que formou o buraco negro. Além disso, as informações dos parceiros dessas partículas que caíram em BH também são perdidas. Se estudamos os efeitos colaterais da evaporação de BH, não podemos dizer qual era o estado inicial; você só pode calcular a massa total, a carga e o momento angular - três "cabelos" de buracos negros ( e um qubit ). Acontece que a evaporação de BH é irreversível.



Mas na teoria quântica de campos (CFT), processos irreversíveis não existem. Falando em jargão técnico, as BHs transformam estados puros em estados mistos, o que não deveria acontecer de modo algum. Portanto, a evaporação do BH leva a contradições internas: você combina KTP com GR, mas o resultado é incompatível com KTP.

Respondendo a perguntas: o aumento da entropia geralmente não implica irreversibilidade fundamental, apenas prática. A entropia aumenta devido ao fato de a probabilidade de ver o processo inverso ser pequena. Mas, em princípio, qualquer processo deve ser reversível: quebrar ovos, amassar farinha, queimar livros - os processos opostos a esse podem ser facilmente descritos matematicamente. Nós simplesmente não os observamos, pois esse evento exigiria estados iniciais extremamente bem ajustados. Um forte aumento na entropia torna o processo praticamente irreversível, mas teoricamente reversível.

E isso é verdade para todos os processos, exceto a evaporação dos buracos negros. Nenhum ajuste fino retornará informações perdidas no buraco negro. Este é o único caso conhecido de irreversibilidade fundamental. Sabemos que isso é ruim, mas não sabemos o que exatamente está errado. Portanto, estamos preocupados.

A irreversibilidade na mecânica quântica, que você mencionou na pergunta, vem do processo de medição, mas a evaporação da BH é irreversível antes mesmo de as medições serem realizadas. É claro que se pode objetar - por que se preocupar tanto se tudo o que podemos observar ainda precisa ser medido? Sim, essa objeção é possível e já foi usada. Mas, por si só, não elimina as contradições. De qualquer forma, você precisa mostrar como é possível reconciliar duas plataformas matemáticas.

Esse problema atraiu tanta atenção porque sua matemática é muito clara e as consequências são globais. A evaporação de Hawking depende das propriedades quânticas dos campos materiais, mas não leva em consideração as propriedades quânticas do espaço e do tempo. Portanto, é geralmente aceito que a quantificação do espaço-tempo é necessária para eliminar contradições. No processo de resolver o problema do desaparecimento da informação, aprenderíamos algo novo no campo da teoria da gravidade quântica. Portanto, o desaparecimento de informações no buraco negro é um excelente mistério lógico, com enormes benefícios potenciais - o que a torna tentadora.

Agora sobre sociologia. Você deve ter notado que esse problema não é tão novo. Ela apareceu antes do meu nascimento. Ao longo da minha vida, milhares de trabalhos foram escritos sobre ele e centenas de soluções foram propostas, mas os teóricos não podem concordar com nenhum deles. Isso porque eles não precisam fazer isso: para aquelas BHs que podemos observar (por exemplo, no centro da nossa galáxia), a temperatura da radiação Hawking é tão baixa que não podemos medir as partículas voadoras. Portanto, a evaporação de BH é uma caixa de areia ideal para o pensamento matemático.



Para o problema da perda de informações, há uma solução óbvia que é apontada há muito tempo. As BHs destroem as informações, porque tudo o que cai além do horizonte é singular e destruído. Mas a singularidade é considerada um artefato matemático, que na teoria da gravidade quântica não deveria ser. Remova a singularidade - remova o problema.

De fato, os cálculos de Hawking deixam de funcionar quando o BH perde quase toda a sua massa e se torna tão pequeno que a gravidade quântica começa a funcionar. Isso significa que as informações simplesmente irromperão na última fase, na fase da gravidade quântica, e nenhuma contradição acontecerá.

Mas essa solução óbvia também é inconveniente, porque se você não sabe o que acontece próximo à singularidade e em casos com forte curvatura, nada pode ser calculado, porque isso exigirá gravidade quântica. Portanto, essa ideia não é muito proveitosa. Poucos artigos científicos podem ser escritos com a sua ajuda, e poucos escreveram sobre isso. É muito mais proveitoso supor que os cálculos de Hawking estejam errados em outro lugar.

Infelizmente, se você se aprofundar na literatura e tentar descobrir por que motivo a idéia de que a informação sai em uma fase de forte curvatura foi rejeitada, você descobrirá que essa justificativa é principalmente social, não científica.

Se a informação demorar muito tempo no buraco negro, isso significa que pequenos buracos negros devem conter muitas combinações diferentes de informações. Vários artigos argumentaram que tais BHs deveriam emitir informações lentamente, o que significa que pequenas BHs deveriam se comportar na prática como um número infinito de partículas. Nesse caso, afirmam os autores das obras, elas devem aparecer em quantidades infinitas, mesmo em campos fracos de fundo (por exemplo, próximos à Terra), o que não é observado na realidade.

Infelizmente, esses argumentos se baseiam na suposição infundada de que o interior do BH é pequeno. Mas, na relatividade geral, não há conexão óbvia entre área de superfície e volume, pois o espaço pode ser curvado. A suposição de que pequenas BHs para as quais a gravidade quântica é forte pode ser descrita como partículas também é infundada .

Como resultado, Leonard Sasskind escreveu um trabalho rejeitando a idéia de que as informações permanecem no buraco negro por um longo tempo e são liberadas no final de suas vidas. Isso possibilitou que todos declarassem que a solução óbvia não funcionou e começaram a lançar inúmeros novos trabalhos com seus próprios argumentos.

Desculpe pelo ceticismo, mas é assim que eu avalio essa situação. Eu até admito que eu mesmo tive uma mão nessa montanha de papéis, porque o mundo científico funciona assim. Eu também preciso viver de algo.

Essa é outra razão pela qual os físicos estão tão preocupados com o desaparecimento de informações em BH: como as discussões sobre este tópico não se limitam aos dados experimentais, é muito fácil escrever artigos sobre ele e, como tantas pessoas trabalham nesse tópico, também não há citações. problemas