Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Первое изображение (силуэт или тень) черной дыры, полученное сверхмассивной черной дырой в M87 с помощью телескопа Event Horizon , выпущенное в апреле 2019 года.

Черная дыра информации парадокс [1] является головоломкой , в результате чего из комбинации квантовой механики и ОТО . Расчеты показывают, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре , позволяя многим физическим состояниям перейти в одно и то же. Это является спорным , поскольку это нарушает основные заповеди современной физики, что, в принципе, ценность волновой функции физической системы в момент времени должна определять свое значение в любом другое время. [2] [3] Основной постулатКопенгагенская интерпретация квантовой механики заключается в том, что полная информация о системе закодирована в ее волновой функции вплоть до ее коллапса . Эволюция волновой функции определяется унитарным оператором , а унитарность означает, что информация сохраняется в квантовом смысле.

К ноябрю 2019 года парадокс, возможно, был разрешен, по крайней мере, для упрощенных моделей гравитации. [4] (см. Также § Последние разработки )

Соответствующие принципы [ править ]

В игре есть два основных принципа: [5]

  • Квантовый детерминизм означает, что для данной волновой функции ее будущие изменения однозначно определяются оператором эволюции.
  • Обратимость относится к тому факту, что оператор эволюции имеет обратный, что означает, что прошлые волновые функции одинаково уникальны.

Комбинация двух означает, что информация всегда должна быть сохранена.

Начиная с середины 1970-х годов Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн выдвинули теоретические аргументы, основанные на общей теории относительности и квантовой теории поля, которые не только оказались несовместимыми с сохранением информации, но и не учитывали потерю информации и не указывали ее причин. . В частности, расчеты Хокинга [6] показали, что испарение черной дыры под действием излучения Хокинга не сохраняет информацию. Сегодня многие физики считают, что голографический принцип (в частности, двойственность AdS / CFT ) демонстрирует, что заключение Хокинга было неверным, и что информация фактически сохраняется.[7] В 2004 году сам Хокинг признал сделанную ставку , согласившись, что испарение черной дыры действительно сохраняет информацию.

Радиация Хокинга [ править ]

Основная статья: излучение Хокинга
Пенроуза Диаграмма черной дыры , какие формы, а затем полностью испаряется прочь. Время показано на вертикальной оси снизу вверх; пространство показано на горизонтальной оси слева (нулевой радиус) направо (увеличивающийся радиус).

В 1973–75 годах Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн показали, что черные дыры должны медленно излучать энергию, что создает проблему. Исходя из теоремы об отсутствии волос , можно было бы ожидать, что излучение Хокинга будет полностью независимым от материала, попадающего в черную дыру. Тем не менее, если бы материал, попадающий в черную дыру, был чистым квантовым состоянием , преобразование этого состояния в смешанное состояние излучения Хокинга уничтожило бы информацию об исходном квантовом состоянии. Это нарушает теорему Лиувилля и представляет собой физический парадокс . [ необходима цитата ]

Хокинг оставался убежденным, что уравнения термодинамики черной дыры вместе с теоремой об отсутствии волос привели к выводу, что квантовая информация может быть уничтожена. Это раздражало многих физиков, особенно Джона Прескилла , который в 1997 году поспорил с Хокингом и Кипом Торном, что информация не теряется в черных дырах. Последствия, которые открыл Хокинг, привели к «битве», в которой Леонард Сасскинд и Джерард Т Хоофт публично «объявили войну» решению Хокинга, а Сасскинд опубликовал популярную книгу « Война в черной дыре»., о дебатах в 2008 году. (В книге тщательно отмечается, что «война» была чисто научной, и что на личном уровне участники остались друзьями. [8] ) Решение проблемы, завершившей битву, - это голографический принцип , который был впервые предложен 'т Хоофтом, но получил точную интерпретацию теории струн от Сасскинда. Этим "Сасскинд подавляет Хокинга в ссоре из-за квантового затруднения". [9]

Есть разные идеи о том, как разрешить парадокс. Начиная с предложения 1997 года о соответствии AdS / CFT , среди физиков преобладает убеждение, что информация сохраняется и что излучение Хокинга не является точно тепловым, но получает квантовые поправки, которые кодируют информацию о внутренней части черной дыры. Эта точка зрения получила дальнейшую поддержку в 2019 году, когда исследователи внесли поправки в вычисление энтропии излучения Хокинга в определенных моделях и показали, что в последнее время это излучение фактически двойственно внутренней части черной дыры. [10] [11] Другие возможности включают информацию, содержащуюся в планковскихостаток, оставшийся после окончания излучения Хокинга или модификации законов квантовой механики, чтобы учесть неунитарную эволюцию во времени. [ необходима цитата ]

В июле 2004 года Стивен Хокинг опубликовал статью, в которой представил теорию о том, что квантовые возмущения горизонта событий могут позволить информации ускользать из черной дыры, что разрешило информационный парадокс . [12] Его аргумент предполагает унитарность АдС / ФТ переписки , которая предполагает , что АдС черной дыры , что это двойное к тепловой конформной теории поля . Объявляя свой результат, Хокинг также признал ставку 1997 года, заплатив Прескиллу бейсбольной энциклопедией, «из которой можно получить информацию по желанию». [ необходима цитата ]

По словам Роджера Пенроуза , потеря унитарности в квантовых системах не является проблемой: квантовые измерения сами по себе уже неунитарны. Пенроуз утверждает, что квантовые системы фактически больше не будут развиваться унитарно, как только в игру вступит гравитация, в точности как в черных дырах. Равноугольная Циклическая космологияПенроуза критически зависит от того, что информация действительно теряется в черных дырах. Эта новая космологическая модель может быть в будущем проверена экспериментально путем подробного анализа космического микроволнового фонового излучения (CMB): если это правда, CMB должно иметь круговые структуры с немного более низкими или немного более высокими температурами. В ноябре 2010 года Пенроуз и В.Г. Гурзадян объявили, что они нашли доказательства таких круговых паттернов в данных, полученных от зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), подтвержденных данными эксперимента BOOMERanG . [13] Значимость результатов впоследствии обсуждалась другими. [14] [15] [16] [17]

Постулируемые решения [ править ]

  • Информация постепенно просачивается во время испарения черной дыры [18] [19]
    Преимущество: соответствует обратимости, как того требует квантовая механика. Интуитивно привлекательный, потому что качественно напоминает восстановление информации в классическом процессе записи.
    Недостаток: до недавнего времени считалось, что это решение требует большого отклонения от классической и полуклассической гравитации (которая на первый взгляд не позволяет информации просачиваться из черной дыры) даже для макроскопических черных дыр, для которых применимы классические и полуклассические приближения. ожидается хорошее приближение. Однако недавние разработки показывают, что полуклассическая гравитация действительно обеспечивает механизм утечки информации. См. § Последние разработки )
  • Информация безвозвратно потеряна [18] [19]
    Преимущество: кажется прямым следствием относительно однозначного расчета, основанного на полуклассической гравитации .
    Недостаток: нарушает унитарность . (Бэнкс, Сасскинд и Пескин утверждали, что это также нарушает закон сохранения энергии-импульса или локальность, но этот аргумент кажется неверным для систем с большим числом степеней свободы [20] ).
  • Информация внезапно ускользает во время последней стадии испарения черной дыры [18] [19]
    Преимущество: значительное отклонение от классической и полуклассической гравитации необходимо только в режиме, в котором, как ожидается, будут преобладать эффекты квантовой гравитации .
    Недостаток: непосредственно перед внезапной утечкой информации очень маленькая черная дыра должна быть способна хранить произвольный объем информации, что нарушает границу Бекенштейна .
  • Информация хранится в остатке размером с Планк [18] [19]
    Преимущество: не требуется никакого механизма утечки информации.
    Недостаток: чтобы содержать информацию от любой испарившейся черной дыры, ее остатки должны иметь бесконечное количество внутренних состояний. Утверждалось, что можно создать бесконечное количество пар этих остатков, поскольку они малы и неотличимы с точки зрения эффективной теории низких энергий. [21]
  • Информация хранится в большом остатке [22] [23]
    Преимущество: размер остатка увеличивается с размером исходной черной дыры, поэтому нет необходимости в бесконечном количестве внутренних состояний.
    Недостаток: излучение Хокинга должно прекратиться до того, как черная дыра достигнет планковских размеров, что требует нарушения полуклассической гравитации в макроскопическом масштабе.
  • Информация хранится в детской вселенной, которая отделяется от нашей собственной вселенной. [19] [24]
    Преимущество: этот сценарий предсказывается теорией гравитации Эйнштейна – Картана, которая расширяет общую теорию относительности на материю с собственным угловым моментом ( спином ). Никакого нарушения известных общих принципов физики не требуется.
    Недостаток: теорию Эйнштейна – Картана трудно проверить, поскольку ее предсказания существенно отличаются от общерелятивистских только при чрезвычайно высоких плотностях.
  • Информация закодирована в соотношениях между будущим и прошлым [25] [26]
    Преимущество: достаточно полуклассической гравитации , т. Е. Решение не зависит от деталей (все еще недостаточно изученной) квантовой гравитации .
    Недостаток: противоречит интуитивному взгляду на природу как на сущность, которая развивается со временем.

Последние события [ править ]

В 2014 году Крис Адами утверждал, что анализ с использованием теории квантовых каналов устраняет любой очевидный парадокс; Адами отвергает проведенный Сасскиндом анализ дополнительности черных дыр, утверждая вместо этого, что ни одна космическая поверхность не содержит дублированной квантовой информации . [27] [28]

В 2015 году Модак, Ортис, Пенья и Сударски утверждали, что парадокс можно устранить, обратившись к фундаментальным вопросам квантовой теории, которые часто называют проблемой измерения квантовой механики. [29] Эта работа была построена на более раннем предложении Окон и Сударского о преимуществах объективной теории коллапса в гораздо более широком контексте. [30] Первоначальной мотивацией этих исследований было давнее предложение Роджера Пенроуза, согласно которому коллапс волновой функции, как утверждается, неизбежен в присутствии черных дыр (и даже под влиянием гравитационного поля). [31] [32] Экспериментальная проверка теорий коллапса продолжается. [33]

В 2016 году Хокинг и др. предложил новые теории движения информации в черную дыру и из нее. [34] [35] В работе 2016 года утверждается, что информация сохраняется в «мягких частицах», низкоэнергетических версиях фотонов и других частицах, которые существуют в пустом пространстве с нулевой энергией. [36]

Значительный прогресс был достигнут в 2019 году, когда Penington et al. открыл класс полуклассической геометрии пространства-времени, на которую не обращали внимания Хокинг и последующие исследователи. [10] [11] [37] Расчеты Хокинга, по-видимому, показывают, что энтропия излучения Хокинга увеличивается на протяжении всей жизни черной дыры. Однако, если черная дыра образовалась из известного состояния (нулевая энтропия), энтропия излучения Хокинга должна уменьшиться до нуля, как только черная дыра полностью испарится. Penington et al. вычислить энтропию, используя трюк с репликами , и показать, что для достаточно старых черных дыр необходимо рассмотреть решения, в которых реплики соединенычервоточины . Включение этой геометрии червоточины предотвращает неограниченное увеличение энтропии. [4]

Этот результат, кажется, разрешает информационный парадокс, по крайней мере, в простых теориях гравитации, которые они рассматривают. Хотя реплики не имеют прямого физического значения, внешний вид «червоточин» переносится на физическое описание системы. В частности, для достаточно старых черных дыр можно выполнять операции с излучением Хокинга, влияющие на внутреннюю часть черной дыры. Этот результат имеет значение для связанного парадокса межсетевого экрана и напоминает предложенное разрешение ER = EPR . [4]

См. Также [ править ]

  • AdS / CFT корреспонденция
  • За пределами черных дыр
  • Комплементарность черной дыры
  • Гипотеза космической цензуры
  • Межсетевой экран (физика)
  • Fuzzball (теория струн)
  • Голографический принцип
  • Список парадоксов
  • Демон Максвелла
  • Теорема об отсутствии волос
  • Теорема о запрете укрытия
  • Ставка Торна – Хокинга – Прескилла

Ссылки [ править ]

  1. ^ Краткая форма «информационный парадокс» также используется для информационного парадокса Стрелы .
  2. ^ Хокинг, Стивен (2006). Парадокс Хокинга . Канал Открытия . Архивировано из оригинального 2 -го августа 2013 года . Проверено 13 августа 2013 года .
  3. ^ Overbye, Dennis (12 августа 2013). «Тайна черной дыры, окутанная парадоксом межсетевого экрана» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 августа 2013 года .
  4. ^ a b c Мюссер, Герге (30 октября 2020 г.). «Самый известный парадокс в физике близится к своему концу - в серии знаменательных расчетов физики доказали, что черные дыры могут передавать информацию, что кажется невозможным по определению. Эта работа, похоже, разрешает парадокс, который Стивен Хокинг впервые описал пять десятилетий назад» . Журнал Quanta . Проверено 31 октября 2020 года .
  5. ^ Hossenfelder Сабина (23 августа 2019). «Как черные дыры уничтожают информацию и почему это проблема?» . Назад ReAction . Проверено 23 ноября 2019 года .
  6. ↑ Хокинг, Стивен (1 августа 1975 г.). «Создание частиц черными дырами». Commun. Математика. Phys. 43 (3): 199–220. Bibcode : 1975CMaPh..43..199H . DOI : 10.1007 / BF02345020 . S2CID 55539246 .  
  7. ^ Barbon, JLF (2009). «Черные дыры, информация и голография» . Журнал физики: Серия конференций . 171 (1): 012009. Bibcode : 2009JPhCS.171a2009B . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 171/1/012009 . http://iopscience.iop.org/1742-6596/171/1/012009 стр.1: «Самый важный отход от общепринятого мышления за последние годы, голографический принцип ... дает определение квантовой гравитации ... [и] гарантирует, что весь процесс является унитарным ».
  8. ^ Сасскинд, Леонард (2007-07-07). Война в черной дыре: Моя битва со Стивеном Хокингом за то, чтобы сделать мир безопасным для квантовой механики . Маленький, Браун. п. 10. ISBN 9780316032698. Проверено 7 апреля 2015 . Это не была война между разгневанными врагами; действительно, все основные участники - друзья. Но это была ожесточенная интеллектуальная борьба идей между людьми, которые глубоко уважали друг друга, но также и глубоко не соглашались.
  9. ^ "Сасскинд подавляет Хокинга в ссоре из-за квантового затруднения" . КАЛИФОРНИЯ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 2008-07-09. Архивировано из оригинала на 2012-04-02.
  10. ^ a b Penington, G .; Шенкер, С .; Стэнфорд, Д .; Ян, З. (2019). «Реплика червоточины и внутренности черной дыры». arXiv : 1911.11977 [ hep-th ].
  11. ^ a b Almheiri, A .; Hartman, T .; Maldacena, J .; Shaghoulian, E .; Тадждини, А. (2019). «Реплика червоточины и энтропия излучения Хокинга». Журнал физики высоких энергий . 2020 (5). arXiv : 1911.12333 . DOI : 10.1007 / JHEP05 (2020) 013 . S2CID 208310010 . 
  12. ^ Баэз, Джон. «Результаты этой недели по математической физике (неделя 207)» . Проверено 25 сентября 2011 .
  13. ^ Гурзадяны, В.Г.; Пенроуз, Р. (2010). «Концентрические круги в данных WMAP могут свидетельствовать о насильственных действиях до Большого взрыва». arXiv : 1011.3706 [ astro-ph.CO ].
  14. ^ Wehus, ИК; Эриксен, HK (2010). «Поиск концентрических кругов на 7-летних температурных картах неба WMAP». Астрофизический журнал . 733 (2): L29. arXiv : 1012.1268 . Bibcode : 2011ApJ ... 733L..29W . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 733/2 / L29 .
  15. ^ Мосс, А .; Scott, D .; Зибин, JP (2010). «Нет свидетельств аномально низкой дисперсии кругов на небе». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 2011 (4) : 033. arXiv : 1012.1305 . Bibcode : 2011JCAP ... 04..033M . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2011/04/033 . S2CID 118433733 . 
  16. ^ Hajian, A. (2010). «Есть ли отголоски Вселенной до Большого взрыва? Поиск кругов с низкой дисперсией в реликтовом небе». Астрофизический журнал . 740 (2): 52. arXiv : 1012.1656 . Bibcode : 2011ApJ ... 740 ... 52H . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 740/2/52 . S2CID 118515562 . 
  17. ^ Эриксен, Гонконг; Wehus, IK (2010). "Комментарий к" предсказанным CCC кругам с низкой дисперсией в небе и LCDM " ". arXiv : 1105.1081 [ astro-ph.CO ].
  18. ^ a b c d Гиддингс, Стивен Б. (1995). «Информационный парадокс черной дыры». Частицы, струны и космология . Семинар Джона Хопкинса по текущим проблемам теории элементарных частиц 19 и междисциплинарный симпозиум PASCOS 5. arXiv : hep-th / 9508151 . Bibcode : 1995hep.th .... 8151G .
  19. ^ a b c d e Прескилл, Джон (1992). Уничтожают ли черные дыры информацию? . Международный симпозиум по черным дырам, мембранам, червоточинам и суперструнам. arXiv : hep-th / 9209058 . Bibcode : 1993bhmw.conf ... 22P .
  20. ^ Николич, Hrvoje (2015). «Нарушение унитарности излучением Хокинга не нарушает закон сохранения энергии-импульса». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 2015 (4): 002. arXiv : 1502.04324 . Bibcode : 2015JCAP ... 04..002N . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2015/04/002 . S2CID 44000069 . 
  21. ^ Гиддингс, Стивен Б. (1998). «Комментарии об утрате и остатках информации». Physical Review D . 49 (8): 4078–4088. arXiv : hep-th / 9310101 . Bibcode : 1994PhRvD..49.4078G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.49.4078 . PMID 10017412 . S2CID 17746408 .  
  22. ^ Гиддингс, Стивен (1992). «Черные дыры и массивные остатки». Physical Review D . 46 (4): 1347–1352. arXiv : hep-th / 9203059 . Bibcode : 1992PhRvD..46.1347G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.46.1347 . PMID 10015052 . S2CID 1741527 .  
  23. ^ Николич, Hrvoje (2015). «Гравитационный кристалл внутри черной дыры». Современная физика Буква A . 30 (37): 1550201. arXiv : 1505.04088 . Bibcode : 2015MPLA ... 3050201N . DOI : 10.1142 / S0217732315502016 . S2CID 62789858 . 
  24. ^ Nikodem J. Поплавский (2010). «Космология с кручением: альтернатива космической инфляции». Физика Письма Б . 694 (3): 181–185. arXiv : 1007.0587 . Bibcode : 2010PhLB..694..181P . DOI : 10.1016 / j.physletb.2010.09.056 .
  25. ^ Хартл, Джеймс Б. (1998). "Обобщенная квантовая теория в испаряющемся пространстве-времени черной дыры". Черные дыры и релятивистские звезды : 195. arXiv : gr-qc / 9705022 . Bibcode : 1998bhrs.conf..195H .
  26. ^ Николич, Hrvoje (2009). «Разрешение информационного парадокса черных дыр путем рассмотрения времени наравне с пространством». Физика Письма Б . 678 (2): 218–221. arXiv : 0905.0538 . Bibcode : 2009PhLB..678..218N . DOI : 10.1016 / j.physletb.2009.06.029 . S2CID 15074164 . 
  27. ^ Брэдлер, Камил; Адами, Кристоф (2014). «Способность черных дыр передавать квантовую информацию». Журнал физики высоких энергий . 2014 (5): 95. arXiv : 1310.7914 . Bibcode : 2014JHEP ... 05..095B . DOI : 10.1007 / JHEP05 (2014) 095 . ISSN 1029-8479 . S2CID 118353646 .  
  28. ^ Gyongyosi, Ласло (2014). «Статистическая модель испарения информации идеально отражающих черных дыр». Международный журнал квантовой информации . 12 (7n08): 1560025. arXiv : 1311.3598 . Bibcode : 2014IJQI ... 1260025G . DOI : 10.1142 / s0219749915600254 . S2CID 5203875 . 
  29. ^ Modak, Sujoy K .; Ортис, Леонардо; Пенья, Игорь; Сударский, Даниил (2015). «Испарение черной дыры: потеря информации, но не парадокс». Общая теория относительности и гравитации . 47 (10): 120. arXiv : 1406.4898 . Bibcode : 2015GReGr..47..120M . DOI : 10.1007 / s10714-015-1960-у . ISSN 1572-9532 . S2CID 118447230 .  
  30. ^ Окон, Элиас; Сударский, Даниил (2014). «Преимущества моделей объективного коллапса для космологии и квантовой гравитации». Основы физики . 44 (2): 114–143. arXiv : 1309,1730 . Bibcode : 2014FoPh ... 44..114O . DOI : 10.1007 / s10701-014-9772-6 . ISSN 1572-9516 . S2CID 67831520 .  
  31. ^ Пенроуз, Роджер (1989). «Ньютон, квантовая теория и реальность» . Триста лет гравитации . Издательство Кембриджского университета. п. 17. ISBN 9780521379762.
  32. ^ Пенроуз, Роджер (1996). «О роли гравитации в редукции квантовых состояний». Общая теория относительности и гравитации . 28 (5): 581–600. Bibcode : 1996GReGr..28..581P . CiteSeerX 10.1.1.468.2731 . DOI : 10.1007 / BF02105068 . ISSN 1572-9532 . S2CID 44038399 .   
  33. ^ Басси, Анджело; и другие. (2013). «Модели коллапса волновой функции, лежащие в основе теории и экспериментальные проверки». Ред. Мод. Phys . 85 (2): 471–527. arXiv : 1204.4325 . Полномочный код : 2013RvMP ... 85..471B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.85.471 . ISSN 1539-0756 . S2CID 119261020 .  
  34. ^ "Новая статья Стивена Хокинга о черной дыре, переведенная: Интервью с соавтором Эндрю Строминджером" . Сеть блогов Scientific American . Проверено 9 января 2016 .
  35. ^ Хокинг, Стивен У .; Перри, Малкольм Дж .; Строминджер, Эндрю (2016-01-05). «Мягкие волосы на черных дырах». Письма с физическим обзором . 116 (23): 231301. arXiv : 1601.00921 . Bibcode : 2016PhRvL.116w1301H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.116.231301 . PMID 27341223 . S2CID 16198886 .  
  36. ↑ Castelvecchi, Davide (27 января 2016 г.). «Последняя статья Хокинга о черной дыре раскалывает физиков (природа)» . Scientific American . Проверено 31 октября 2020 года .
  37. ^ Альмхейри, Ахмед; Хартман, Томас; Мальдасена, Хуан; Шагулян, Эдгар; Тадждини, Амирхоссейн (11.06.2020). «Энтропия излучения Хокинга». arXiv : 2006.06872 [ hep-th ].

Внешние ссылки [ править ]

  • Проблема потери информации о черной дыре , страница часто задаваемых вопросов по физике USENET
  • Прескилл, Джон (1992). «Черные дыры уничтожают информацию?». Международный симпозиум по черным дырам : 22. arXiv : hep-th / 9209058 . Bibcode : 1993bhmw.conf ... 22P .. Обсуждаются методы решения проблемы и их очевидные недостатки.
  • Отчет о теории Хокинга 2004 года в Nature
  • Хокинг, SW (июль 2005 г.), потеря информации в черных дырах, arxiv: hep-th / 0507171 . Предполагаемое решение Стивена Хокинга парадокса унитарности черной дыры .
  • Хокинг и унитарность : обсуждение парадокса потери информации и Стивена Хокинга в июле 2005 г.
  • Парадокс Хокинга - документальный фильм BBC Horizon (2005)
  • "Горизонт" Парадокс Хокинга на IMDb
  • Тайна черной дыры, окутанная парадоксом межсетевого экрана