I fisici teorici Stephen Hawking, Malcolm Perry e Andrew Strominger hanno proposto una soluzione al paradosso della perdita di informazioni nei buchi neri. Questo problema è considerato da molti scienziati uno dei più importanti in fisica, poiché è associato al determinismo del mondo - come il passato, il presente e il futuro si influenzano a vicenda. "Lenta.ru" racconta i dettagli dello studio.
L'essenza del problema del paradosso dell'informazione dei buchi neri è la seguente. Secondo la versione più semplice del teorema senza capelli, i buchi neri non caricati e non rotanti descritti nello spaziotempo di Schwarzschild sono caratterizzati da un solo parametro: la massa. La parola "capelli" in questo caso è usata come metafora per altri parametri ed è stata proposta dal fisico John Wheeler.
Il paradosso significa che non c'è modo di distinguere tra loro buchi neri di massa uguale. La materia che entra nel buco nero successivamente evapora a causa della radiazione di Hawking e non è chiaro cosa accada alle informazioni che trasportava in precedenza. In generale, questo potrebbe significare, come ha sottolineato Strominger in un'intervista all'editore Seth Fletcher per Scientific American, il mondo è indeterminato: il presente non definisce il futuro e non può essere utilizzato per ricostruire completamente il passato.
Hawking ha annunciato per la prima volta la nuova scoperta il 25 agosto 2015, parlando a una conferenza presso il Royal Institute of Technology di Stoccolma. Poi ha incuriosito la comunità scientifica con un prossimo articolo dedicato alla risoluzione del paradosso del buco nero. "Le informazioni non sono archiviate all'interno, come ci si potrebbe aspettare, ma sull'orizzonte degli eventi di un buco nero", disse lo scienziato all'epoca. Ha anche menzionato le super-trasmissioni utilizzate dagli autori nel lavoro (di più su di loro sotto), la cui ricerca Strominger ha ispirato Hawking a scrivere l'articolo. "L'idea è che le trasmissioni super siano un ologramma di particelle che cadono", ha detto Hawking. "Contengono tutte le informazioni che altrimenti sarebbero andate perse." Lo scienziato ha anche parlato delle prospettive di utilizzo delle informazioni dai buchi neri. "Per tutti gli scopi pratici, le informazioni vengono perse", ha detto Hawking. Secondo lui,i buchi neri restituiscono informazioni in una "forma caotica e inutile".
Nella sua conferenza del giorno prima, il 24 agosto, Hawking ha parlato dei buchi neri come tunnel per altri universi. “Se un buco nero è abbastanza grande e ruota, potrebbe essere un ponte verso un altro universo. Ma dopo averlo attraversato, non tornerai al nostro”, ha detto il fisico. Hawking ha presentato le sue idee alla conferenza del 3 settembre in un preprint sul sito web arXiv.org. Il lavoro stesso di Hawking, scritto in collaborazione con Perry e Strominger, è stato pubblicato lì il 5 gennaio 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger e Stephen Hawking (da sinistra a destra)
Foto: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
In precedenza (dalla metà degli anni '70) Hawking credeva che le informazioni non fossero immagazzinate nei buchi neri. Su questo tema, nel 1997, lui e Kip Thorne fecero una scommessa con il fisico teorico americano John Preskill. La visione di Hawking del paradosso dell'informazione del buco nero è cambiata con i progressi nella teoria delle stringhe.
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Nel 1996, nell'ambito della teoria delle stringhe, Strominger e Kumrun Wafa hanno dimostrato la derivazione di un'espressione per l'entropia dei buchi neri, ottenuta per la prima volta termodinamicamente dal fisico israeliano Jacob Bekenstein nel 1973. La loro conclusione indica che l'evaporazione dei buchi neri preserva l'unitarietà della meccanica quantistica (associata a un'interpretazione coerente della probabilità), che Hawking aveva precedentemente messo in dubbio.
In un lavoro pubblicato nel 2005, lo scienziato britannico ha cercato di spiegare qualitativamente la conservazione delle informazioni in un buco nero utilizzando la tecnica dell'integrale funzionale ripreso uno spazio con una topologia banale. Gli stessi risultati sono derivati dall'idea della corrispondenza AdS / CFT proposta nel 1998 da Juan Maldacena nell'ambito della teoria delle stringhe. A sua volta, si basa sul principio olografico proposto nel 1993 dal fisico teorico olandese Gerard t'Hooft (questo scienziato ha pubblicato un preprint il 5 settembre 2015 con un modo alternativo di memorizzare le informazioni da un buco nero).
Nel nuovo lavoro, gli scienziati si basano sulla ricerca degli anni '60. Quindi i fisici Steven Weinberg e altri hanno proposto il concetto di super traduzioni (non dovrebbero essere confusi con il termine con lo stesso nome usato nella super matematica). Inoltre, gli autori hanno utilizzato i risultati di Strominger e coautori, da cui ne è derivato che il buco nero ha i cosiddetti capelli morbidi. Strominger ha utilizzato fotoni morbidi noti dall'elettrodinamica quantistica - quanti di radiazione elettromagnetica di grandi lunghezze d'onda utilizzati nelle rinormalizzazioni (procedure per eliminare le divergenze nella teoria quantistica dei campi). Tali particelle hanno bassa energia e, quando descrivono lo stato del vuoto (con l'energia più bassa), portano alla comparsa di un nuovo stato quantistico caratterizzato dal momento angolare (poiché un fotone ne ha uno).
Strominger si interessò alla questione se lo stato quantistico iniziale del sistema sarebbe diverso da quello successivo se impostassimo la lunghezza d'onda del fotone su infinita (cioè, per contare la sua energia come zero). I calcoli hanno mostrato che lo stato quantistico del sistema cambierà in questo caso. Ai confini dello spazio-tempo esistono gravitoni molli e fotoni nel limite della lunghezza d'onda infinita. Applicato ai buchi neri, risulta che le particelle morbide sono localizzate sull'orizzonte degli eventi - un ologramma tridimensionale di un buco spazio-temporale quadridimensionale.
Quando parlano di super trasmissioni, gli scienziati intendono trasformazioni di fasci di luce identici che esistono sull'orizzonte degli eventi del buco nero. Negli anni '60, le super traduzioni venivano usate per descrivere i raggi di luce all'infinito nello spaziotempo, piuttosto che l'orizzonte degli eventi dei buchi neri. Strominger ha spiegato l'idea del super broadcasting usando l'esempio di una raccolta di cannucce infinitamente lunghe e identiche. Se uno di loro viene spostato verso l'alto o verso il basso rispetto agli altri, un tale movimento può essere considerato reale? La ricerca degli scienziati ha dato una risposta positiva a questa domanda.
Gerard t'Hooft e Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
“Se confronti due buchi neri che differiscono solo per l'aggiunta di un fotone morbido che non cambia energia, ottieni buchi neri diversi. E poi le lasci evaporare. In questo caso, devono evaporare in qualcosa di diverso l'uno dall'altro. Forniamo la formula esatta, che è uno dei risultati principali del nostro lavoro, descrivendo le differenze nello stato quantistico di un buco nero, a cui è stato aggiunto o meno un fotone morbido , ha detto Strominger a Scientific American.
Il fisico ha osservato che nel corso della ricerca è stato in grado di formulare 35 problemi promettenti, la cui soluzione può richiedere fino a diversi mesi. "Se abbiamo tutti gli ingredienti per comprendere la dinamica quantistica dei buchi neri, sarà possibile contare il numero di pixel olografici", ha detto. In futuro, Strominger e coautori studieranno non le supertraduzioni, ma le super rotazioni. Usando l'analogia con cannucce identiche infinitamente lunghe, possiamo dire che in questo caso queste ultime si scambiano di posto tra loro (una cannuccia ruota attorno all'altra).
"Loro (le super rotazioni) sono un altro tipo di simmetria all'infinito, in cui non si spostano solo i raggi di luce su e giù, ma si consente loro di muoversi l'uno rispetto all'altro", ha detto Strominger. Gli scienziati hanno iniziato a studiare tali trasformazioni circa dieci anni fa e il progresso nella loro comprensione è stato raggiunto solo negli ultimi due anni. Hawking, che ha festeggiato il suo 74 ° compleanno l'8 gennaio, presenterà la sua visione del suo nuovo lavoro in conferenze che saranno trasmesse il 26 gennaio e il 2 febbraio da BBC Radio 4.
Andrey Borisov
