Die theoretischen Physiker Stephen Hawking, Malcolm Perry und Andrew Strominger haben eine Lösung für das Paradox des Informationsverlusts in Schwarzen Löchern vorgeschlagen. Dieses Problem wird von vielen Wissenschaftlern als eines der wichtigsten in der Physik angesehen, da es mit dem Determinismus der Welt verbunden ist - wie sich Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft gegenseitig beeinflussen. "Lenta.ru" erzählt die Details der Studie.
Das Problem des Informationsparadoxons der Schwarzen Löcher ist im Wesentlichen wie folgt. Nach der einfachsten Version des No-Hair-Theorems sind ungeladene und nicht rotierende Schwarze Löcher, die in der Schwarzschild-Raumzeit beschrieben werden, nur durch einen Parameter gekennzeichnet - Masse. Das Wort "Haar" wird in diesem Fall als Metapher für andere Parameter verwendet und wurde vom Physiker John Wheeler vorgeschlagen.
Das Paradox bedeutet, dass es keine Möglichkeit gibt, Schwarze Löcher gleicher Masse voneinander zu unterscheiden. Materie, die in das Schwarze Loch eindringt, verdunstet anschließend aufgrund von Hawking-Strahlung, und es ist unklar, was mit den zuvor übertragenen Informationen geschieht. Im Großen und Ganzen könnte dies bedeuten, wie Strominger in einem Interview mit dem Herausgeber Seth Fletcher von Scientific American betonte, dass die Welt unbestimmt ist: Die Gegenwart definiert nicht die Zukunft und kann nicht zur vollständigen Rekonstruktion der Vergangenheit verwendet werden.
Hawking kündigte die neue Entdeckung erstmals am 25. August 2015 auf einer Konferenz am Royal Institute of Technology in Stockholm an. Dann faszinierte er die wissenschaftliche Gemeinschaft mit einem bevorstehenden Artikel, der sich der Lösung des Paradoxons des Schwarzen Lochs widmete. "Informationen werden nicht wie erwartet im Inneren gespeichert, sondern am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs", sagte der Wissenschaftler zu der Zeit. Er erwähnte auch die Super-Sendungen, die von den Autoren in der Arbeit verwendet wurden (über sie - unten), deren Studie Strominger Hawking zum Schreiben des Artikels inspirierte. "Die Idee ist, dass Super-Sendungen ein Hologramm fallender Partikel sind", sagte Hawking. "Sie enthalten alle Informationen, die sonst verloren gegangen wären." Der Wissenschaftler sprach auch über die Aussichten für die Verwendung von Informationen aus Schwarzen Löchern. "Für alle praktischen Zwecke gehen Informationen verloren", sagte Hawking. Laut ihm,Schwarze Löcher geben Informationen in einer "chaotischen und nutzlosen Form" zurück.
In seinem Vortrag, der einen Tag zuvor am 24. August organisiert worden war, sprach Hawking über Schwarze Löcher als Tunnel zu anderen Universen. „Wenn ein Schwarzes Loch groß genug ist und sich dreht, könnte es eine Brücke zu einem anderen Universum sein. Aber nachdem Sie es durchlaufen haben, werden Sie nicht zu uns zurückkehren “, sagte der Physiker. Hawking präsentierte seine Ideen auf der Konferenz am 3. September in einem Preprint auf der Website arXiv.org. Hawkings Werk selbst, das gemeinsam mit Perry und Strominger verfasst wurde, wurde dort am 5. Januar 2016 veröffentlicht.
Malcolm Perry, Andrew Strominger und Stephen Hawking (von links nach rechts)
Foto: Anna N. Zytkow / Scientificamerican.com
Früher (seit Mitte der 1970er Jahre) glaubte Hawking, dass Informationen nicht in Schwarzen Löchern gespeichert werden. In dieser Angelegenheit schlossen er und Kip Thorne 1997 eine Wette mit dem amerikanischen theoretischen Physiker John Preskill ab. Hawkings Sicht auf das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs hat sich mit den Fortschritten in der Stringtheorie geändert.
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Im Rahmen der Stringtheorie demonstrierten Strominger und Kumrun Wafa 1996 die Ableitung eines Ausdrucks für die Entropie von Schwarzen Löchern, der erstmals 1973 vom israelischen Physiker Jacob Bekenstein thermodynamisch erhalten wurde. Ihre Schlussfolgerung zeigt, dass die Verdampfung von Schwarzen Löchern die Einheitlichkeit der Quantenmechanik (verbunden mit einer konsistenten Interpretation der Wahrscheinlichkeit) bewahrt, die Hawking zuvor in Frage gestellt hat.
In einer 2005 veröffentlichten Arbeit versuchte der britische Wissenschaftler, die Erhaltung von Informationen in einem Schwarzen Loch mithilfe der funktionalen Integraltechnik, die über einen Raum mit einer trivialen Topologie übertragen wurde, qualitativ zu erklären. Die gleichen Ergebnisse ergaben sich aus der Idee der AdS / CFT-Korrespondenz, die Juan Maldacena 1998 im Rahmen der Stringtheorie vorgeschlagen hatte. Es basiert wiederum auf dem 1993 vom niederländischen theoretischen Physiker Gerard t'Hooft vorgeschlagenen holographischen Prinzip (dieser Wissenschaftler veröffentlichte am 5. September 2015 einen Vorabdruck mit einer alternativen Methode zum Speichern von Informationen durch ein Schwarzes Loch).
In der neuen Arbeit bauen die Wissenschaftler auf Forschungen aus den 1960er Jahren auf. Dann schlugen die Physiker Steven Weinberg und andere das Konzept der Superübersetzungen vor (sie sollten nicht mit dem gleichnamigen Begriff verwechselt werden, der in der Supermathematik verwendet wird). Darüber hinaus verwendeten die Autoren die Ergebnisse von Strominger und Co-Autoren, woraus folgte, dass das Schwarze Loch sogenannte weiche Haare aufweist. Strominger verwendete weiche Photonen, die aus der Quantenelektrodynamik bekannt sind - Quanten elektromagnetischer Strahlung großer Wellenlängen, die bei Renormierungen verwendet werden (Verfahren zur Beseitigung von Divergenzen in der Quantenfeldtheorie). Solche Teilchen haben eine niedrige Energie und führen bei der Beschreibung des Vakuumzustands (mit der niedrigsten Energie) zum Auftreten eines neuen Quantenzustands, der durch Drehimpuls gekennzeichnet ist (da ein Photon einen hat).
Strominger interessierte sich für die Frage, ob sich der anfängliche Quantenzustand des Systems vom nächsten unterscheiden würde, wenn wir die Photonenwellenlänge auf unendlich setzen (dh ihre Energie als Null zählen). Berechnungen haben gezeigt, dass sich der Quantenzustand des Systems in diesem Fall ändern wird. An den Grenzen der Raumzeit existieren weiche Gravitonen und Photonen an der Grenze der unendlichen Wellenlänge. Bei Anwendung auf Schwarze Löcher stellt sich heraus, dass weiche Partikel am Ereignishorizont lokalisiert sind - ein dreidimensionales Hologramm eines vierdimensionalen Raum-Zeit-Lochs.
Wenn sie über Supersendungen sprechen, meinen Wissenschaftler Transformationen identischer Lichtstrahlen, die am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs existieren. In den 1960er Jahren wurden Superübersetzungen verwendet, um Lichtstrahlen im Unendlichen in der Raumzeit und nicht den Ereignishorizont von Schwarzen Löchern zu beschreiben. Strominger erklärte die Idee des Super-Rundfunks am Beispiel einer Sammlung unendlich langer und identischer Strohhalme. Wenn eine von ihnen relativ zu den anderen nach oben oder unten bewegt wird, kann eine solche Bewegung als real angesehen werden? Forschungen von Wissenschaftlern haben diese Frage positiv beantwortet.
Gerard t'Hooft und Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se.
„Wenn Sie zwei Schwarze Löcher vergleichen, die sich nur durch das Hinzufügen eines weichen Photons unterscheiden, das die Energie nicht verändert, erhalten Sie unterschiedliche Schwarze Löcher. Und dann lässt du sie verdunsten. In diesem Fall müssen sie zu etwas anderem verdampfen. Wir geben eine genaue Formel an, die eines der Hauptergebnisse unserer Arbeit ist und die Unterschiede im Quantenzustand eines Schwarzen Lochs beschreibt, zu dem ein weiches Photon hinzugefügt wurde oder nicht “, sagte Strominger gegenüber Scientific American.
Der Physiker stellte fest, dass er im Verlauf der Forschung 35 vielversprechende Probleme formulieren konnte, deren Lösung jeweils bis zu mehreren Monaten dauern kann. "Wenn wir alle Zutaten haben, um die Quantendynamik von Schwarzen Löchern zu verstehen, ist es möglich, die Anzahl der holographischen Pixel zu zählen", sagte er. Strominger und Co-Autoren werden sich in Zukunft nicht mehr mit Superübersetzungen, sondern mit Superrotationen befassen. Unter Verwendung der Analogie mit identischen unendlich langen Strohhalmen können wir sagen, dass in diesem Fall letztere Orte miteinander austauschen (ein Strohhalm dreht sich um den anderen).
"Sie (Superrotationen) sind eine andere Art von Symmetrie im Unendlichen, bei der man die Lichtstrahlen nicht nur auf und ab bewegt, sondern sie sich auch relativ zueinander bewegen lässt", sagte Strominger. Wissenschaftler haben vor etwa zehn Jahren begonnen, solche Transformationen zu untersuchen, und Fortschritte beim Verständnis dieser Transformationen wurden erst in den letzten zwei Jahren erzielt. Hawking, der am 8. Januar seinen 74. Geburtstag feierte, wird seine Vision seiner neuen Arbeit in Vorträgen vorstellen, die am 26. Januar und 2. Februar von BBC Radio 4 ausgestrahlt werden.
Andrey Borisov
