Domanda:
Perché il paradosso dell'informazione è limitato ai buchi neri?
Ibrahim Abd el Faruk-Shaik
2018-12-25 23:38:10 UTC
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Sto leggendo "Brevi risposte" di Hawking.Si è lamentato del fatto che i buchi neri distruggono le informazioni (e stava cercando di trovare un modo per evitarlo).Cosa non capisco: l'eliminazione delle informazioni non è una procedura normale?La masterizzazione di una lettera scritta o l'eliminazione di un disco rigido non ha lo stesso effetto?

Tre risposte:
Chiral Anomaly
2018-12-26 00:52:09 UTC
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(Le risposte di Mark H e B.fox sono state pubblicate mentre veniva scritta questa. Questa risposta dice la stessa cosa con parole diverse, ma Sono andato avanti e l'ho postato comunque perché a volte dire la stessa cosa con parole diverse può essere utile.)


La chiave è apprezzare la differenza tra la perdita di informazioni in pratica e la perdita di informazioni in linea di principio .

Se scrivi "La mia password è 12345" su un pezzo di carta e poi lo bruci, le informazioni potrebbero andare perse per tutti scopi pratici , ma ciò non significa che le informazioni siano perse in principio . Per vedere la differenza, confronta questi due scenari:

  • Scenario 1: Scrivi "La mia password è 12345" su un pezzo di carta e poi masterizzalo.

  • Scenario 2: Scrivi "La mia password è ABCDE" su un pezzo di carta e poi masterizzalo.

Ciò che accade esattamente in entrambi gli scenari dipende da molti dettagli, come la disposizione specifica delle molecole nel pezzo di carta e nell'inchiostro, i dettagli specifici della fiamma che è stata utilizzata per accendere la carta, la disposizione specifica delle molecole di ossigeno nel l'atmosfera vicino alla carta in fiamme, ecc. ecc. ecc. La varietà di risultati possibili è ugualmente vasta, con i possibili risultati che differiscono l'uno dall'altro nei dettagli specifici di quali parti del foglio sono finite come quali pezzi di cenere, le cui molecole finirono per ossidarsi e andare alla deriva in questa direzione, ecc. ecc. ecc. Questo è il motivo per cui le informazioni vengono perse in pratica

Tuttavia, secondo le leggi della fisica così come le intendiamo oggi, tutti i risultati fisicamente possibili nello scenario 1 sono diversi da tutti dei risultati fisicamente possibili nello Scenario 2. Non c'è modo di iniziare con un pezzo di carta che dice "La mia password è 12345" e finire con esattamente lo stesso stato finale (a livello molecolare ) come se il pezzo di carta avesse detto "La mia password è ABCDE". In questo senso, le informazioni non vengono perse in linea di principio.

In altre parole, le leggi della fisica così come le intendiamo oggi sono reversibili in linea di principio anche se non sono reversibili nella pratica. Questa è una delle idee chiave alla base del modo in cui la seconda legge della termodinamica deriva dalla meccanica statistica.

Il paradosso dell'informazione del buco nero dice che la nostra attuale comprensione della fisica è necessariamente imperfetta. O le informazioni vengono veramente perse in linea di principio quando un buco nero evapora, oppure lo spazio-tempo come lo conosciamo è solo un concetto approssimativamente valido che fallisce in questo caso, oppure qualche altra cosa altrettanto drastica. Penso che sia importante capire che il paradosso dell'informazione del buco nero è non ovvio per la maggior parte delle persone (certamente non per me, e forse non per nessuno). A testimonianza di quanto non sia ovvio, ecco alcuni articoli di revisione scritti principalmente per un pubblico che comprende già sia la relatività generale che la teoria quantistica dei campi:

[1] Marolf (2017), "The Black Hole information problem: past, present, and future", http://arxiv.org/abs/1703.02143

[2] Polchinski (2016), "The Black Hole Information Problem", http://arxiv.org/abs/1609.04036

[3] Harlow (2014), "Jerusalem Lectures on Black Holes and Quantum Information", http://arxiv.org/abs/1409.1231

[4] Mathur (2011), "What the information paradox is not", http: //arxiv.org/abs/1108.0302

[5] Mathur (2009), "The information paradox: A pedagogical intro- duction", http://arxiv.org/abs/0909.1038

La sezione 2 in [1] dice:

La fisica convenzionale implica che l'effetto Hawking differisca fondamentalmente dalla familiare emissione termica di oggetti caldi come stelle o legna che brucia. Per spiegare questa differenza, ... [dettagli tecnici]

La sezione 4.2 in [2] dice:

La masterizzazione altera qualsiasi informazione iniziale, rendendola difficile da decodificare, ma in linea di principio è reversibile. ... Una reazione iniziale comune all'affermazione di Hawking è che un buco nero dovrebbe essere come qualsiasi altro sistema termico ... Ma c'è una differenza: il carbone non ha orizzonte. I primi fotoni del carbone sono intrappolati con le eccitazioni all'interno, ma queste ultime possono imprimere il loro stato quantistico sui fotoni in uscita successivi. Con il buco nero, le eccitazioni interne sono dietro l'orizzonte e non possono influenzare lo stato dei fotoni successivi.

Lo scopo di elencare questi riferimenti / estratti è semplicemente dire che il paradosso è non ovvio .

Il punto di questa risposta è principalmente quello di dire che la masterizzazione di una lettera o l'eliminazione di un disco rigido sono in linea di principio reversibili (nessuna perdita di informazioni in linea di principio) anche se rendono le informazioni praticamente inaccessibili, perché ricostruendo il messaggio originale dalle sue ceneri ( e la radiazione infrarossa che è sfuggita allo spazio e le molecole che si sono dissipate nell'atmosfera, ecc., ecc., ecc.) sono a dir poco proibitive.


Nota aggiunta: Un commento dell'OP ha sottolineato che la risposta precedente trascura di considerare la questione della misurazione. Questo è un problema importante da affrontare, dato che la misurazione di un osservabile impedisce la misurazione simultanea di un osservabile reciprocamente non commutabile. Quando diciamo che le leggi della fisica come le conosciamo attualmente sono "reversibili", stiamo ignorando il famigerato problema di misurazione della fisica quantistica, o almeno sfruttando la libertà di differire indefinitamente l'applicazione del "postulato della proiezione". Una volta che le conseguenze di un evento di misurazione hanno iniziato a proliferare nel sistema esteso, il sistema esteso si impiglia con la quantità misurata in modo praticamente irreversibile. (L'impossibilità di misurare simultaneamente osservabili non commutabili con perfetta precisione è implicita in questo.) È ancora reversibile in linea di principio, tuttavia, nel senso che stati iniziali distinti producono stati finali distinti - a condizione che conserviamo lo stato finale completamente entangled. Questo è ciò che i fisici hanno in mente quando dicono che le leggi della fisica così come le conosciamo attualmente sono "reversibili". Il paradosso dell'informazione del buco nero ne tiene conto. Il paradosso non si risolve differendo indefinitamente gli effetti della misurazione nel caso del buco nero, né si risolve applicando il "postulato della proiezione" non appena si riesce a farla franca nel caso del pezzo di carta in fiamme. (Di nuovo, il paradosso delle informazioni di BH è non ovvio , ma tutte queste cose sono state attentamente considerate e non risolvono il paradosso.)

Dato che non sappiamo nemmeno come risolvere il problema della misurazione, suppongo che dovremmo rimanere aperti alla possibilità che il paradosso dell'informazione del buco nero e il problema della misurazione possano essere correlati in un modo ancora sconosciuto.Tale connessione non è al momento chiara e sembra improbabile alla luce della corrispondenza AdS / CFT [6] [7], che sembra fornire una teoria ben definita della gravità quantistica che è completamente reversibile nel senso sopra definito -ma in un universo con una costante cosmologica negativa, a differenza dell'universo reale che ha una costante cosmologica positiva [8].Che i due misteri siano collegati o meno, penso che sia giusto dire che abbiamo ancora molto da imparare su entrambi.

[6] Introduzione ad AdS / CFT

[7] Background per comprendere il principio olografico?

[8] Come definire il confine di uno spazio infinito nel principio olografico?

Sono scettico contro "in linea di principio".Quando si cerca di misurare le minuscole differenze tra le ceneri di 12345 e ABCDE ci sono necessariamente la posizione e la quantità di moto di molte particelle coinvolte.La misurazione di uno di essi potrebbe impedire la misurazione di un altro.
@IbrahimAbdelFaruk-Shaik Il tuo commento solleva un punto molto positivo.Quando diciamo che le leggi della fisica così come le conosciamo attualmente sono "reversibili", ignoriamo il famigerato problema di misurazione della fisica quantistica.Dal momento che non sappiamo come risolvere nemmeno questo, suppongo che dovremmo rimanere aperti alla possibilità che il paradosso dell'informazione del buco nero e il problema della misurazione possano essere correlati in qualche modo non ancora scoperto;ma tale connessione non è attualmente chiara.
Il più utile per me è il tuo ultimo commento.
@DanYand Il commento di Ibrahim e la tua risposta sono molto illuminanti, puoi aggiungerli alla tua risposta stessa?(In SE in generale questa è una buona pratica poiché non è garantito che i commenti rimangano per sempre)
"In linea di principio, tuttavia, è ancora reversibile, nel senso che stati iniziali distinti producono stati finali distinti" Sono confuso come questo possa essere vero, quando lo stesso esperimento quantistico ripetuto più volte con gli stessi stati iniziali dà stati finali diversi.
Espandendo la mia confusione: sembra che la reversibilità dovrebbe applicarsi all'evoluzione delle probabilità associate agli stati, piuttosto che agli stati stessi.
"le leggi della fisica così come le intendiamo oggi sono reversibili in linea di principio" - Se due palle da biliardo nello spazio si muovono l'una verso l'altra alla stessa velocità costante, dovrebbero fermarsi in caso di collisione indipendentemente dalla distanza e dalla velocità iniziali.Una volta fermati, possono anche stare insieme per un periodo di tempo indefinito.Scegli una pausa casuale e ferma il tempo.Come si può invertire la fisica?Qualsiasi durata della pausa finale, velocità di viaggio e distanza iniziale sarebbe valida.Quelle informazioni dovrebbero essere perse in linea di principio, no?
Apprezzo la risposta estesa, ma non l'esempio: "... tutti i risultati fisicamente possibili nello scenario 1 sono diversi da tutti i risultati fisicamente possibili nello scenario 2. ..." --- Stai limitando artificialmente il realescopo dell '* esperimento * per renderlo presumibilmente un vero risultato.IRL: Tu e la tua penna, insieme a ogni *** singolo *** foglio, in un esperimento ripetuto due volte (anche * impossibile *) avete una possibilità infinitamente minuscola dello stesso risultato, in teoria.È come dire che i buchi neri sono "neri" (EM non viene emesso, dai poli).Un altro esempio per favore
@JoL: Ottimo esempio!Ma chi ha spinto le palle da biliardo?
@IbrahimAbdelFaruk-Shaik La vera domanda dovrebbe essere, dato che le palle sono insieme nello spazio ora, è possibile invertire la fisica e sapere cosa è successo prima?L'impossibilità di sapere chi, se qualcuno, ha spinto le palle è il punto.Ci sono infinite possibilità su quanto tempo avrebbero potuto essere così senza muoversi.Ci sono infinite possibilità sulle possibili collisioni che li avrebbero portati a essere così.Per questo motivo, sembrerebbe che una fisica banale si riveli irreversibile.
@JoL L'irreversibilità macroscopica non implica l'irreversibilità microscopica.Due stati che inizialmente sono facilmente distinguibili possono evolversi in stati che sono praticamente impossibili da distinguere, ma rimangono _microscopicamente distinguibili_ (secondo la fisica classica e quantistica), a patto che si tenga conto di tutto ciò che accade quando le palle da biliardo entrano in collisione, comprese tuttei cambiamenti dettagliati a livello di molecola nell'atmosfera a causa del suono e del calore emessi.Se non teniamo conto di queste cose, allora certo, la fisica è ovviamente irreversibile _in pratica_.
@D.Halsey La tua preoccupazione sembra riferirsi all'effetto della misurazione: "lo stesso esperimento quantistico ripetuto più volte con gli stessi stati iniziali dà diversi stati finali".Questo entra nel problema della misurazione (irrisolto), motivo per cui ho scritto "... la risposta precedente trascura di considerare la questione della misurazione".Il paradosso dell'informazione del buco nero è ugualmente paradossale indipendentemente dal fatto che cerchiamo di spiegarlo o meno.Penso che tutto questo circolo di domande sia una delle parti più interessanti della fisica, interessante perché non conosciamo le risposte e perché anche il problema non è ovvio.
@DanYand Rimanendo con lo stesso modello di esempio, poiché sono nello spazio, non c'è atmosfera (o almeno volevo implicare che siano nel vuoto).Stai dicendo che microscopicamente all'interno delle palline dovrebbero esserci informazioni sufficienti per invertire l'effetto macroscopico?Come le onde di movimento attraverso la struttura molecolare dalla collisione?Tali onde non si estinguono?Diventano semplicemente infinitamente piccoli?Immagino che tu possa ottenere il tempo dell'impatto da lì e la velocità di entrambi prima dell'impatto.Le posizioni at = 0 sarebbero quindi ottenute dalla velocità.Spero di aver capito bene.Grazie!: D
@JoL Sei sulla strada giusta._ Da qualche parte_ dovrebbero esserci abbastanza informazioni per invertire l'effetto macro.Stiamo fondamentalmente discutendo il fondamento statistico-meccanico della seconda legge del termo.Supponiamo che le palle si uniscano quando entrano in collisione.Dove va l'energia?L'energia è conservata, quindi deve andare da qualche parte.Le _ onde_ possono estinguersi perché la loro energia viene riorganizzata in moti molecolari "praticamente casuali" (calore) e forse alla fine radiazione infrarossa.Lo stesso motivo per cui le onde sonore si estinguono sempre.Stai facendo buone domande!Ma queste caselle di commento hanno così ... poco ... spazio ...
@JoL: Il mio commento riguardava il fatto che le posizioni iniziali delle sfere e le loro traiettorie possono essere ripercorse, ad esempio dalla radiazione emessa dalle sfere e dal meccanismo che le ha avviate.
@IbrahimAbdelFaruk-Shaik Stavo per dire che se quel meccanismo fosse una precedente collisione con altre palle da biliardo, allora come faresti a sapere che quella collisione è avvenuta senza la preventiva conoscenza delle variabili in questione?Tuttavia, dopo aver ricordato ciò che ha detto Dan Yand riguardo agli effetti microscopici, immagino che tu abbia ragione nel dire che puoi capire queste variabili osservando gli effetti microscopici di quel meccanismo, qualunque esso sia.
@JoL Hai risolto il problema della quantità di moto: la quantità di moto del sistema è ancora zero, come prima della collisione.Ma hai completamente ignorato il problema dell '* energia * - ed è qui che è finita la tua entropia mancante.Le due sfere non sono l'intero sistema: è inoltre necessario tenere conto di tutti i fotoni rimasti con quella che era l'energia cinetica delle due sfere.Se assumiamo che la collisione fosse perfetta (nessuna deformazione duratura, scheggiature, ecc.), Tutta l'energia cinetica viene infine dissipata come fotoni.Aggiungilo * tutto * e nessuna informazione (in senso quantistico) viene persa.
Mark H
2018-12-26 00:31:54 UTC
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Quando il dottor Hawking parla di informazioni distrutte, parla della cancellazione di tutte le prove che le informazioni siano mai esistite.Nel caso in cui si brucia una lettera scritta, è possibile tenere traccia della traiettoria e della composizione di ogni particella di fumo mentre il libro bruciava.Poiché inchiostro e carta generano diversi tipi di fumo e iniziano in posizioni diverse, potresti utilizzare queste informazioni per ricostruire il libro originale.

Ovviamente, questo è impossibile da fare nella vita reale, ma le informazioni sono lì per essere ottenute.Allo stesso modo in cui l'energia non viene né creata né distrutta, l'informazione non viene né creata né distrutta.Questo è il motivo per cui Hawking era sospettoso riguardo ai buchi neri che sembravano non conservare alcuna prova di ciò che vi cadeva.

Per la mia consapevolezza, tuttavia, le derivazioni della radiazione del buco nero vengono eseguite su buchi neri eterni o molto estremamente semplici.Dovremmo essere sorpresi quindi che le radiazioni di radiazione non contengano informazioni sulla materia in caduta?
B.fox
2018-12-26 00:36:51 UTC
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Devo ammetterlo, non sono la persona più qualificata per rispondere qui.

Se metti la lettera in fiamme in una scatola sigillata (un sistema chiuso) e permetti al sistema di portarsi al suo stato finale, con un modello perfetto della fisica coinvolta, puoi far risalire lo stato finale al suo stato originalese conosci perfettamente le proprietà dello stato finale perché le particelle costituenti della lettera portano con sé informazioni riguardanti le loro precedenti interazioni.Tali informazioni vengono conservate nel sistema e possono essere decodificate.

Se metti un buco nero in una scatola e della materia in caduta, le informazioni andranno perse dietro l'orizzonte, quindi in modo permanente una volta che il buco nero evapora.

il paradosso dell'informazione non è che l'informazione sia intrappolata dietro l'orizzonte, si tratta della sua distruzione quando la radiazione di Hawking irradia via il buco nero senza contenere alcuna informazione stessa.il fatto che l'informazione sia semplicemente inaccessibile all'osservatore esterno non è di per sé un paradosso.
@ СимонТыран Da qui la mia prima affermazione.Quando il buco nero finalmente evapora - quando raggiunge il suo "stato finale" - tutte le informazioni dietro il suo orizzonte verranno distrutte.Questo è più o meno il mio punto dietro "perso dietro l'orizzonte".L'OP aveva anche chiesto perché bruciare una lettera con informazioni scritte non doveva nulla al paradosso dell'informazione, che era più ciò verso cui era orientata la mia risposta.
Questa reversibilità è mai stata formalmente dimostrata?La mia intuizione è formicolante all'idea che, data una scatola di sistema perfettamente chiusa con due particelle, dovremmo essere in grado di scegliere una traiettoria per ciascuna particella che potrebbe essere stata creata dalle due particelle che subiscono una delle infinite possibili collisioni.Ovviamente una volta coinvolta la meccanica quantistica dovremmo aggiornare il problema a "possiamo trovare uno stato della funzione d'onda a cui sarebbe potuto arrivare da più di un altro stato della funzione d'onda", ma l'esperimento mentale è più semplicecon due particelle in collisione.
@mtraceur Ho pensato che, dal momento che non sappiamo come gestire il dilemma della fisica quantistica, avremmo semplicemente trattato le particelle senza quella meccanica.Quanto alla reversibilità, non ne ho idea.Se ha qualcosa a che fare con la computabilità e la non risolvibilità, allora direi di no, probabilmente non è mai stato formalmente dimostrato.Non sono io a rispondere a questo, però.
@mtraceur: Con solo due particelle in un universo classico chiuso con collisioni puramente elastiche - sì, puoi dimostrare formalmente che le loro posizioni e traiettorie in un dato momento determinano in modo univoco le loro posizioni e traiettorie in tutti gli altri momenti, sia precedenti che successivi.(In effetti, la meccanica classica è simmetrica rispetto al tempo; quindi se inverti semplicemente le velocità al tempo 0, inverti completamente la linea temporale: le posizioni e le velocità al tempo * t * diventano le posizioni e l'inversione delle velocitàall'istante - * t * e viceversa.)


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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