Войти
Первое изображение (силуэт или тень) черной дыры, сделанное из сверхмассивного черного дыра в M87 с помощью телескопа Event Horizon, выпущенного в апреле 2019 года. информационный парадокс черной дыры - это загадка, возникающая в результате комбинации квантовая механика и общая теория относительности. Расчеты показывают, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя многим физическим состояниям перейти в одно и то же состояние. Это является спорным, поскольку это нарушает основные заповеди современной физики, что, в принципе, значение волновую функцию физической системы в момент времени должно определить его значение в любом другое время. Фундаментальный постулат копенгагенской интерпретации квантовой механики заключается в том, что полная информация о системе закодирована в ее волновой функции вплоть до того момента, когда волновая функция схлопывается. Эволюция волновой функции определяется унитарным оператором, а унитарность подразумевает, что информация сохраняется в квантовом смысле.
По состоянию на ноябрь 2019 года парадокс, возможно, был разрешен, по крайней мере, для упрощенных моделей гравитации (см. § Последние разработки).
В игре используются два основных принципа:
Комбинация двух означает, что информация должна всегда сохраняться.
Начиная с середины 1970-х, Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн выдвинули теоретические аргументы, основанные на общей теории относительности и квантовом поле. теория, которая не только не соответствовала принципам сохранения информации, но и не учитывала потерю информации и не указывала причин для этого. В частности, расчеты Хокинга показали, что испарение черной дыры с помощью излучения Хокинга не сохраняет информацию. Сегодня многие физики считают, что голографический принцип (в частности, AdS / CFT-дуальность ) демонстрирует, что вывод Хокинга был неверен, и эта информация фактически сохраняется. В 2004 году сам Хокинг признал сделанную им ставку, согласившись с тем, что испарение черной дыры на самом деле сохраняет информацию.
Диаграмма Пенроуза черной дыры, которая образуется, а затем полностью испаряется. Время показано на вертикальной оси снизу вверх; пространство показано на горизонтальной оси слева (нулевой радиус) направо (растущий радиус). В 1973–75 гг. Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн показали, что черные дыры должны медленно излучать отнимает энергию, что создает проблему. 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 материал, входящий 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..
Хокинг оставался убежденным, что уравнения термодинамики черных дыр вместе с теоремой об отсутствии волос привели к вывод о том, 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 была потеряна в черных дырах. Последствия, которые открыл Хокинг, привели к «битве», в которой Леонард Сасскинд и Джерард 'т Хофт публично «объявили войну» решению Хокинга, и Сасскинд опубликовал популярную книгу The Black Hole War, о дебатах в 2008 году. (В книге тщательно отмечается, что «война» была чисто научной, и что на личном уровне участники остались друзьями.) Решение проблемы, которое В заключение битвы стал голографический принцип, который был впервые предложен 'т Хоофтом, но получил точную интерпретацию теории струн Сасскинд. Этим Сасскинд подавляет Хокинга в ссоре из-за квантового затруднения.
Существуют различные идеи о том, как разрешается парадокс. Начиная с предложения 1997 года о AdS / CFT-соответствии, преобладающее мнение физиков состоит в том, 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. Другие возможности включают информацию, содержащуюся в планковском остатке, оставшемся в конце излучения Хокинга, или изменение законов квантовой механики, чтобы учесть неунитарную эволюцию во времени.
В В июле 2004 года Стивен Хокинг опубликовал статью, в которой представил теорию о том, что квантовые возмущения горизонта событий могут позволить информации ускользнуть из черной дыры, что разрешит информационный парадокс. Его аргумент предполагает унитарность соответствия AdS / CFT, что подразумевает, что черная дыра AdS, которая двойственна к термическому конформная теория поля. Объявляя свой результат, Хокинг также признал ставку 1997 года, заплатив Прескиллу бейсбольной энциклопедией, «из которой можно получить информацию по желанию».
Согласно Роджеру Пенроузу, потеря унитарности в квантовые системы не проблема: 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. Конформная циклическая космология, отстаиваемая Пенроузом, критически зависит от того условия, при котором информация фактически 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 структур в данных Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), подтвержденных данными эксперимента BOOMERanG. Значимость результатов впоследствии обсуждалась другими.
В 2014 году Крис Адами утверждал, что анализ с использованием квантового канала теория заставляет исчезнуть любой кажущийся парадокс; Адами отвергает проведенный Сасскиндом анализ комплементарности черной дыры, утверждая вместо этого, что ни одна космическая поверхность не содержит дублированной квантовой информации.
В 2015 году Модак, Ортис, Пенья и Сударский утверждали, что парадокс можно устранить, обратившись к фундаментальным проблемам квантовой теории часто называют проблемой измерения квантовой механики. Эта работа основана на более раннем предложении Окон и Сударского о преимуществах объективной теории коллапса в гораздо более широком контексте. Первоначальной мотивацией этих исследований было давнее предложение Роджера Пенроуза, согласно которому коллапс волновой функции, как говорят, неизбежен в присутствии черных дыр (и даже под влиянием гравитационного поля). Экспериментальная проверка теорий коллапса продолжается.
В 2016 году Хокинг и др. предложил новые теории движения информации в черную дыру и из нее. В работе 2016 года утверждается, что информация сохраняется в «мягких частицах», низкоэнергетических версиях фотонов и других частицах, существующих в пустом пространстве с нулевой энергией.
Значительный прогресс был достигнут в 2019 году, когда Пенингтон и др.. открыл класс полуклассической геометрии пространства-времени, на которую не обращали внимания Хокинг и последующие исследователи. Расчет Хокинга, по-видимому, показывает, что энтропия излучения Хокинга увеличивается на протяжении всего времени существования 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 реплик, и показать, что для достаточно старых черных дыр необходимо рассматривать решения, в которых реплики соединены червоточинами. Включение этой геометрии червоточины предотвращает неограниченное увеличение энтропии.
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 с этим парадокса межсетевого экрана и напоминает предложенное разрешение ER = EPR.
