La paradoja de la información del agujero negro [1] es un rompecabezas resultante de la combinación de la mecánica cuántica y la relatividad general . Los cálculos sugieren que la información física podría desaparecer permanentemente en un agujero negro , permitiendo que muchos estados físicos se conviertan en el mismo estado. Esto es controvertido porque viola un precepto central de la física moderna: que, en principio, el valor de una función de onda de un sistema físico en un momento determinado debería determinar su valor en cualquier otro momento. [2] [3] Un postulado fundamental de la interpretación de Copenhaguede la mecánica cuántica es que la información completa sobre un sistema está codificada en su función de onda hasta que la función de onda colapsa . La evolución de la función de onda está determinada por un operador unitario , y la unitaridad implica que la información se conserva en sentido cuántico.
A partir de noviembre de 2019, la paradoja puede haberse resuelto, al menos para los modelos simplificados de gravedad. [4] (ver también § Desarrollos recientes )
Principios relevantes
Hay dos principios fundamentales en juego: [5]
- El determinismo cuántico significa que dada una función de onda presente, sus cambios futuros están determinados únicamente por el operador de evolución.
- La reversibilidad se refiere al hecho de que el operador de evolución tiene una inversa, lo que significa que las funciones de onda pasadas son igualmente únicas.
La combinación de los dos significa que la información siempre debe conservarse.
A partir de mediados de la década de 1970, Stephen Hawking y Jacob Bekenstein presentaron argumentos teóricos basados en la relatividad general y la teoría cuántica de campos que no solo parecían ser incompatibles con la conservación de la información, sino que no explicaban la pérdida de información y no indicaban ninguna razón para ello. . Específicamente, los cálculos de Hawking [6] indicaron que la evaporación del agujero negro a través de la radiación de Hawking no conserva la información. Hoy en día, muchos físicos creen que el principio holográfico (específicamente la dualidad AdS / CFT ) demuestra que la conclusión de Hawking era incorrecta y que, de hecho, la información se conserva. [7] En 2004, el propio Hawking concedió una apuesta que había hecho, y estuvo de acuerdo en que la evaporación del agujero negro de hecho conserva la información.
Radiación de Hawking
En 1973-1975, Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que los agujeros negros deberían irradiar energía lentamente, lo que plantea un problema. A partir del teorema de la ausencia de pelo , cabría esperar que la radiación de Hawking fuera completamente independiente del material que entra en el agujero negro. Sin embargo, si el material que ingresa al agujero negro fuera un estado cuántico puro , la transformación de ese estado en el estado mixto de la radiación de Hawking destruiría la información sobre el estado cuántico original, que se define como la diferencia entre la entropía de grano grueso (térmica) y la entropía de grano grueso (térmica). entropía de grano fino (cuántica, von Neumann). Esto viola la ley de conservación de la información que corresponde al teorema de Liouville en física clásica y, por lo tanto, presenta una paradoja física (ver, por ejemplo, [8] ).
Hawking seguía convencido de que las ecuaciones de la termodinámica de los agujeros negros , junto con el teorema sin pelo , llevaban a la conclusión de que la información cuántica puede destruirse. Esto molestó a muchos físicos, en particular a John Preskill , quien en 1997 apostó a Hawking y Kip Thorne a que la información no se perdía en los agujeros negros. Las implicaciones que Hawking había abierto llevaron a una "batalla" en la que Leonard Susskind y Gerard 't Hooft ' declararon la guerra 'públicamente a la solución de Hawking, y Susskind publicó un libro popular, The Black Hole War , sobre el debate en 2008. (El libro señala cuidadosamente que la 'guerra' fue puramente científica, y que a nivel personal, los participantes siguieron siendo amigos. [9] ) La solución al problema que concluyó la batalla es el principio holográfico , que fue propuesto por primera vez por 't Hooft, pero Susskind le dio una interpretación precisa de la teoría de cuerdas . Con esto, "Susskind aplasta a Hawking en una disputa sobre el dilema cuántico". [10]
Hay varias ideas sobre cómo se resuelve la paradoja. Desde la propuesta de 1997 de la correspondencia AdS / CFT , la creencia predominante entre los físicos es que la información se conserva y que la radiación de Hawking no es precisamente térmica, sino que recibe correcciones cuánticas que codifican información sobre el interior del agujero negro. Este punto de vista recibió más apoyo en 2019 cuando los investigadores modificaron el cálculo de la entropía de la radiación de Hawking en ciertos modelos y demostraron que la radiación es de hecho dual con el interior del agujero negro en los últimos tiempos. [11] [12] Otras posibilidades incluyen la información contenida en un remanente de Planck que quedó al final de la radiación de Hawking o una modificación de las leyes de la mecánica cuántica para permitir una evolución temporal no unitaria. [ cita requerida ]
En julio de 2004, Stephen Hawking publicó un artículo en el que presentaba una teoría de que las perturbaciones cuánticas del horizonte de sucesos podrían permitir que la información escapase de un agujero negro, lo que resolvería la paradoja de la información . [13] Su argumento asume la unitaridad de la correspondencia AdS / CFT, lo que implica que un agujero negro AdS es dual con una teoría de campo conforme térmica . Al anunciar su resultado, Hawking también concedió la apuesta de 1997, pagando a Preskill con una enciclopedia de béisbol "de la que se puede recuperar información a voluntad". [ cita requerida ]
Según Roger Penrose , la pérdida de unitaridad en los sistemas cuánticos no es un problema: las medidas cuánticas ya son por sí mismas no unitarias. Penrose afirma que, de hecho, los sistemas cuánticos ya no evolucionarán unitariamente tan pronto como entre en juego la gravitación, precisamente como en los agujeros negros. La cosmología cíclica conformada defendida por Penrose depende críticamente de la condición de que la información se pierda de hecho en los agujeros negros. Este nuevo modelo cosmológico podría probarse experimentalmente en el futuro mediante un análisis detallado de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB): si es cierto, el CMB debería exhibir patrones circulares con temperaturas ligeramente más bajas o ligeramente más altas. En noviembre de 2010, Penrose y VG Gurzadyan anunciaron que habían encontrado evidencia de tales patrones circulares, en datos de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) corroborados por los datos del experimento BOOMERanG . [14] Posteriormente, otros debatieron la importancia de los hallazgos. [15] [16] [17] [18]
Soluciones postuladas
- La información se filtra gradualmente durante la evaporación del agujero negro [19] [20]
- Ventaja: Consistente con la reversibilidad, como lo requiere la mecánica cuántica. Intuitivamente atractivo porque se asemeja cualitativamente a la recuperación de información en un proceso clásico de quema.
- Desventaja: hasta hace poco, se pensaba que esta solución requería una gran desviación de la gravedad clásica y semiclásica (que a primera vista no parece permitir que la información se filtre desde el agujero negro) incluso para agujeros negros macroscópicos para los que son aproximaciones clásicas y semiclásicas. se espera que sean buenas aproximaciones. Sin embargo, los desarrollos recientes sugieren que la gravedad semiclásica sí proporciona un mecanismo para que la información escape. Ver § Desarrollos recientes . Viola el teorema de no ocultarse .
- La información se pierde irremediablemente [19] [20]
- Ventaja: Parece ser una consecuencia directa de un cálculo relativamente no controvertido basado en la gravedad semiclásica .
- Desventaja: Viola la unitaridad . (Banks, Susskind y Peskin argumentaron que también viola la conservación del momento de energía o la localidad, pero el argumento no parece ser correcto para sistemas con un gran número de grados de libertad. [21] )
- La información se escapa repentinamente durante la etapa final de la evaporación del agujero negro [19] [20]
- Ventaja: solo se necesita una desviación significativa de la gravedad clásica y semiclásica en el régimen en el que se espera que dominen los efectos de la gravedad cuántica .
- Desventaja: Justo antes del escape repentino de información, un agujero negro muy pequeño debe poder almacenar una cantidad arbitraria de información, lo que viola el límite de Bekenstein .
- La información se almacena en un remanente del tamaño de Planck [19] [20]
- Ventaja: No se necesita ningún mecanismo para escapar de la información.
- Desventaja: para contener la información de cualquier agujero negro evaporado, los remanentes necesitarían tener un número infinito de estados internos. Se ha argumentado que sería posible producir una cantidad infinita de pares de estos remanentes ya que son pequeños e indistinguibles desde la perspectiva de la teoría efectiva de baja energía. [22]
- La información se almacena en un gran remanente [23] [24]
- Ventaja: el tamaño del remanente aumenta con el tamaño del agujero negro inicial, por lo que no hay necesidad de un número infinito de estados internos.
- Desventaja: la radiación de Hawking debe detenerse antes de que el agujero negro alcance el tamaño de Planck, lo que requiere una violación de la gravedad semiclásica a escala macroscópica.
- La información se almacena en un universo bebé que se separa de nuestro propio universo. [20] [25]
- Ventaja: este escenario está predicho por la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan, que extiende la relatividad general a la materia con momento angular intrínseco ( espín ). No es necesario violar los principios generales de la física conocidos. No hay restricciones físicas sobre el número de universos, aunque solo uno permanece observable.
- Desventaja: Es difícil probar la teoría de Einstein-Cartan porque sus predicciones son significativamente diferentes de las relativistas generales solo en densidades extremadamente altas.
- La información se codifica en las correlaciones entre el pasado y el futuro [26] [27]
- Ventaja: la gravedad semiclásica es suficiente, es decir, la solución no depende de los detalles de la gravedad cuántica (aún no se comprenden bien) .
- Desventaja: contradice la visión intuitiva de la naturaleza como una entidad que evoluciona con el tiempo.
Desarrollos recientes
En 2014, Chris Adami argumentó que el análisis que utiliza la teoría del canal cuántico hace que desaparezca cualquier paradoja aparente; Adami rechaza el análisis de Susskind de la complementariedad de los agujeros negros, argumentando en cambio que ninguna superficie espacial contiene información cuántica duplicada . [28] [29]
En 2015, Modak, Ortíz, Peña y Sudarsky, han argumentado que la paradoja se puede disolver invocando cuestiones fundamentales de la teoría cuántica a menudo referidas como el problema de medición de la mecánica cuántica. [30] Este trabajo se basó en una propuesta anterior de Okon y Sudarsky sobre los beneficios de la teoría del colapso objetivo en un contexto mucho más amplio. [31] La motivación original de estos estudios fue la propuesta duradera de Roger Penrose donde se dice que el colapso de la función de onda es inevitable en presencia de agujeros negros (e incluso bajo la influencia del campo gravitacional). [32] [33] La verificación experimental de las teorías del colapso es un esfuerzo continuo. [34]
En 2016, Hawking et al. propuso nuevas teorías sobre la información entrando y saliendo de un agujero negro. [35] [36] El trabajo de 2016 postula que la información se guarda en "partículas blandas", versiones de fotones de baja energía y otras partículas que existen en el espacio vacío de energía cero. [37]
Se logró un progreso significativo en 2019, cuando Penington et al. descubrió una clase de geometrías espaciotemporales semiclásicas que Hawking y los investigadores posteriores habían pasado por alto. [11] [12] [38] El cálculo de Hawking parece mostrar que la entropía de la radiación de Hawking aumenta a lo largo de la vida del agujero negro. Sin embargo, si el agujero negro se formó a partir de un estado conocido (entropía cero), la entropía de la radiación de Hawking debe volver a disminuir a cero una vez que el agujero negro se evapore por completo. Penington y col. Calcule la entropía usando el truco de la réplica y demuestre que para agujeros negros suficientemente viejos, se deben considerar soluciones en las que las réplicas estén conectadas por agujeros de gusano . La inclusión de estas geometrías de agujero de gusano evita que la entropía aumente indefinidamente. [4]
Este resultado parece resolver la paradoja de la información, al menos en las simples teorías de la gravedad que consideran. Aunque las réplicas no tienen un significado físico directo, la aparición de agujeros de gusano se traslada a una descripción física del sistema. En particular, para agujeros negros suficientemente viejos, se pueden realizar operaciones sobre la radiación de Hawking que afectan el interior del agujero negro. Este resultado tiene implicaciones para la paradoja del firewall relacionada y se asemeja a la resolución ER = EPR propuesta . [4]
Ver también
- Correspondencia AdS / CFT
- Más allá de los agujeros negros
- Complementariedad del agujero negro
- Hipótesis de la censura cósmica
- Cortafuegos (física)
- Fuzzball (teoría de cuerdas)
- Principio holográfico
- Lista de paradojas
- Demonio de Maxwell
- Teorema sin pelo
- Teorema de no ocultarse
- Apuesta Thorne-Hawking-Preskill
Referencias
- ^ La forma corta "paradoja de la información" también se usa para la paradoja de la información de la flecha .
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No fue una guerra entre enemigos enojados; de hecho, los principales participantes son todos amigos. Pero fue una feroz lucha intelectual de ideas entre personas que se respetaban profundamente pero que también estaban profundamente en desacuerdo.
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enlaces externos
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- Hawking y la unitaridad : una discusión de julio de 2005 sobre la paradoja de la pérdida de información y el papel de Stephen Hawking en ella
- La paradoja de Hawking - documental de BBC Horizon (2005)
- "Horizon" La paradoja de Hawking en IMDb
- Un misterio de agujero negro envuelto en una paradoja de cortafuegos