Il paradosso più famoso della fisica sta per finire
In una serie di articoli innovativi, i fisici teorici si sono avvicinati in modo allettante alla risoluzione del paradosso dell'informazione del buco nero che li ha incantati e tormentati per quasi 50 anni. Le informazioni, dicono ora con sicurezza, sfuggono a un buco nero. Se salti in uno, non te ne andrai per sempre. Particella per particella, le informazioni necessarie per ricostituire il tuo corpo riemergeranno. La maggior parte dei fisici ha da tempo supposto che lo sarebbe stato; quello era il risultato della teoria delle stringhe, il loro principale candidato per una teoria della natura unificata. Ma i nuovi calcoli, sebbene ispirati dalla teoria delle stringhe, stanno da soli, senza una stringa in vista. Le informazioni escono attraverso il funzionamento della gravità stessa – solo gravità ordinaria con un singolo strato di effetti quantistici.
Questa è una peculiare inversione di ruolo per la gravità. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la gravità di un buco nero è così intensa che nulla può sfuggirle. La comprensione più sofisticata dei buchi neri sviluppata da Stephen Hawking e dai suoi colleghi negli anni '70 non metteva in dubbio questo principio. Hawking e altri cercarono di descrivere la materia dentro e intorno ai buchi neri usando la teoria quantistica, ma continuarono a descrivere la gravità usando la teoria classica di Einstein, un approccio ibrido che i fisici chiamano "semiclassico". Sebbene l'approccio prevedesse nuovi effetti sul perimetro del buco, l'interno è rimasto rigorosamente sigillato. I fisici pensavano che Hawking avesse azzeccato il calcolo semiclassico. Ogni ulteriore progresso dovrebbe trattare anche la gravità come quantistica.
Questo è ciò che contestano gli autori dei nuovi studi. Hanno trovato ulteriori effetti semiclassici – nuove configurazioni gravitazionali consentite dalla teoria di Einstein, ma che Hawking non includeva. All'inizio disattivati, questi effetti dominano quando il buco nero diventa estremamente vecchio. Il buco si trasforma da regno eremita a sistema vigorosamente aperto. Non solo le informazioni fuoriescono, ma tutto ciò che è nuovo viene rigurgitato quasi immediatamente. La teoria semiclassica rivista deve ancora spiegare come esattamente l'informazione venga fuori, ma tale è stato il ritmo della scoperta negli ultimi due anni che i teorici hanno già accenni al meccanismo di fuga.
"Questa è la cosa più eccitante che sia accaduta in questo argomento, credo, dai tempi di Hawking", ha detto uno dei coautori, Donald Marolf dell'Università della California, Santa Barbara.
"È un calcolo fondamentale", ha detto Eva Silverstein della Stanford University, uno dei principali fisici teorici che non era direttamente coinvolto.
Potresti aspettarti che gli autori festeggino, ma dicono che anche loro si sentono delusi. Se il calcolo avesse coinvolto le caratteristiche profonde della gravità quantistica piuttosto che una leggera spolverata, sarebbe stato ancora più difficile da ottenere, ma una volta ottenuto ciò, avrebbe illuminato quelle profondità. Quindi temono di aver risolto questo problema senza raggiungere la chiusura più ampia che cercavano. "La speranza era che, se avessimo potuto rispondere a questa domanda – se avessimo potuto vedere le informazioni che uscivano – per farlo avremmo dovuto conoscere la teoria microscopica", ha detto Geoff Penington dell'Università della California, Berkeley, alludendo a una teoria della gravità completamente quantistica.
Ciò che tutto ciò significa è oggetto di intensi dibattiti nelle chiamate e nei webinar di Zoom. Il lavoro è altamente matematico e ha una qualità di Rube Goldberg, mettendo insieme un trucco di calcolo dopo l'altro in un modo difficile da interpretare. Wormholes, il principio olografico, lo spazio-tempo emergente, l'entanglement quantistico, i computer quantistici: quasi tutti i concetti della fisica fondamentale oggigiorno fanno la loro comparsa, rendendo il soggetto sia affascinante che confuso.
E non tutti sono convinti. Alcuni pensano ancora che Hawking abbia capito bene e che la teoria delle stringhe o altra nuova fisica debba entrare in gioco se le informazioni devono sfuggire. "Sono molto resistente alle persone che entrano e dicono: 'Ho una soluzione solo in meccanica quantistica e gravità'", ha detto Nick Warner della University of Southern California. "Perché ci ha portato in tondo prima."
Ma quasi tutti sembrano essere d'accordo su una cosa. In un modo o nell'altro, lo stesso spazio-tempo sembra cadere a pezzi in un buco nero, il che implica che lo spazio-tempo non è il livello radice della realtà, ma una struttura emergente da qualcosa di più profondo. Sebbene Einstein concepisse la gravità come la geometria dello spazio-tempo, la sua teoria implica anche la dissoluzione dello spazio-tempo, motivo per cui l'informazione può sfuggire alla sua prigione gravitazionale.
La curva diventa la chiave
Nel 1992, Don Page e la sua famiglia trascorsero le vacanze di Natale seduti a Pasadena, godendosi la piscina e guardando la parata delle rose. Anche Page, un fisico dell'Università di Alberta in Canada, ha usato la pausa per pensare a quanto siano davvero paradossali i buchi neri. I suoi primi studi sui buchi neri, quando era uno studente laureato negli anni '70, furono la chiave per la realizzazione del suo consigliere Stephen Hawking che i buchi neri emettono radiazioni – il risultato di processi quantistici casuali al bordo del buco. In parole povere, un buco nero marcisce dall'esterno verso l'interno.
Le particelle che emette sembrano non portare alcuna informazione sul contenuto interno. Se cade un astronauta di 100 chilogrammi, la massa del buco aumenta di 100 chilogrammi. Tuttavia, quando il foro emette l'equivalente di 100 chilogrammi di radiazione, quella radiazione è completamente non strutturata. Nulla della radiazione rivela se provenisse da un astronauta o da un pezzo di piombo.
Questo è un problema perché, a un certo punto, il buco nero emette la sua ultima oncia e cessa di essere. Tutto ciò che resta è una grande nuvola amorfa di particelle che sfrecciano qua e là a caso. Sarebbe impossibile recuperare qualunque cosa sia caduta. Ciò rende la formazione e l'evaporazione dei buchi neri un processo irreversibile, che sembra sfidare le leggi della meccanica quantistica.
Hawking e la maggior parte degli altri teorici dell'epoca accettarono questa conclusione: se l'irreversibilità violava le leggi della fisica così come venivano intese, tanto peggio per quelle leggi. Ma Page era turbato, perché l'irreversibilità avrebbe violato la fondamentale simmetria del tempo. Nel 1980 ha rotto con il suo ex consigliere e ha sostenuto che i buchi neri devono rilasciare o almeno preservare le informazioni. Ciò ha causato uno scisma tra i fisici. "La maggior parte dei relativisti generali con cui ho parlato concordava con Hawking", ha detto Page. "Ma i fisici delle particelle tendevano ad essere d'accordo con me."
Durante la sua vacanza a Pasadena, Page si rese conto che entrambi i gruppi avevano perso un punto importante. Il puzzle non era solo ciò che accade alla fine della vita del buco nero, ma anche ciò che lo conduce.
Ha considerato un aspetto del processo che era stato relativamente trascurato: l'entanglement quantistico. La radiazione emessa mantiene un collegamento meccanico quantistico con il suo luogo di origine. Se misuri la radiazione o il buco nero da solo, sembra casuale, ma se li consideri insieme, mostrano uno schema. È come crittografare i tuoi dati con una password. I dati senza la password sono senza senso. Anche la password, se ne hai scelta una buona, è priva di significato. Ma insieme sbloccano le informazioni. Forse, pensava Page, le informazioni possono uscire dal buco nero in una forma crittografata in modo simile.
Page ha calcolato cosa ciò significherebbe per la quantità totale di entanglement tra il buco nero e la radiazione, una quantità nota come entanglement entropy. All'inizio dell'intero processo, l'entropia di entanglement è zero, poiché il buco nero non ha ancora emesso alcuna radiazione con cui essere entanglement. Alla fine del processo, se l'informazione viene preservata, l'entropia di entanglement dovrebbe essere di nuovo zero, poiché non c'è più un buco nero. "Mi sono incuriosito come cambierebbe l'entropia delle radiazioni", ha detto Page.
Inizialmente, quando la radiazione fuoriesce, l'entropia di entanglement cresce. Page ha affermato che questa tendenza deve invertirsi. L'entropia deve smettere di salire e iniziare a diminuire se vuole raggiungere lo zero dal punto finale. Nel tempo, l'entropia di entanglement dovrebbe seguire una curva a forma di V rovesciata.
Page ha calcolato che questa inversione dovrebbe avvenire all'incirca a metà del processo, in un momento ora noto come Page time. Questo è molto prima di quanto ipotizzassero i fisici. Il buco nero è ancora enorme a quel punto, certamente non vicino alla dimensione subatomica alla quale si manifesterebbero presunti effetti esotici. Le leggi note della fisica dovrebbero ancora essere applicate. E non c'è niente in quelle leggi per piegare la curva verso il basso.
Con ciò, il problema è diventato molto più acuto. I fisici avevano sempre pensato che una teoria quantistica della gravità entrasse in gioco solo in situazioni così estreme da sembrare sciocche, come una stella che collassa nel raggio di un protone. Ora Page stava dicendo loro che la gravità quantistica era importante in condizioni che, in alcuni casi, sono paragonabili a quelle della tua cucina.
L'analisi di Page giustificava la definizione del problema dell'informazione del buco nero un paradosso anziché un semplice puzzle. Ha esposto un conflitto all'interno dell'approssimazione semiclassica. "Il paradosso Page-time sembra indicare un crollo della fisica a bassa energia in un luogo in cui non ha nulla a che fare con l'interruzione, perché le energie sono ancora basse", ha detto David Wallace , filosofo della fisica presso l'Università di Pittsburgh.
Il lato positivo è che il chiarimento del problema da parte di Page ha aperto la strada a una soluzione. Ha stabilito che, se l'entropia di entanglement segue la curva di pagina, l'informazione esce dal buco nero. Così facendo, ha trasformato un dibattito in un calcolo. "I fisici non sono sempre così bravi con le parole", ha detto Andrew Strominger dell'Università di Harvard. "Facciamo meglio con equazioni nitide."
Ora i fisici dovevano solo calcolare l'entropia dell'entanglement. Se riuscissero a farcela, otterrebbero una risposta diretta. L'entropia dell'entanglement segue una V invertita o no? Se lo fa, il buco nero preserva le informazioni, il che significa che i fisici delle particelle avevano ragione. In caso contrario, il buco nero distrugge o imbottiglia le informazioni, ei relativisti generali possono servirsi della prima ciambella alle riunioni di facoltà.
Eppure, anche se Page ha spiegato cosa dovevano fare i fisici, i teorici hanno impiegato quasi tre decenni per capire come.
Il buco nero dentro e fuori
Negli ultimi due anni, i fisici hanno dimostrato che l'entropia di entanglement dei buchi neri segue davvero la curva di Page, indicando che le informazioni vengono fuori. Hanno fatto l'analisi in più fasi. In primo luogo, hanno mostrato come avrebbe funzionato utilizzando intuizioni dalla teoria delle stringhe. Quindi, in articoli pubblicati lo scorso autunno, i ricercatori hanno tagliato del tutto il legame con la teoria delle stringhe.
Il lavoro è iniziato sul serio nell'ottobre 2018, quando Ahmed Almheiri dell'Institute for Advanced Study ha stabilito una procedura per studiare come evaporano i buchi neri. Almheiri, presto affiancato da diversi colleghi, applicò un concetto sviluppato per la prima volta da Juan Maldacena , ora allo IAS, nel 1997 (Penington stava lavorando in parallelo ).
Considera un universo racchiuso in un confine come un globo di neve. Oltre ad avere un grande muro intorno, l'interno è fondamentalmente come il nostro universo: ha gravità, materia e così via. Anche il confine è una specie di universo. Non ha gravità e, essendo solo una superficie, manca di profondità. Ma compensa con la vibrante fisica quantistica, e tutto sommato è esattamente complesso come l'interno. Per quanto diversi possano sembrare questi due universi, sono perfettamente abbinati. Tutto all'interno, o "sfuso", ha una controparte sul confine. E anche se la geometria del bulk è diversa dalla geometria del nostro universo, questa dualità "AdS / CFT" è stata l'area di gioco preferita dai teorici delle stringhe sin da quando Maldacena l'ha introdotta.
Secondo la logica di questa dualità, se hai un buco nero nella maggior parte, ha un simulacro sul confine. Poiché il confine è governato dalla fisica quantistica senza le complicazioni della gravità, conserva inequivocabilmente le informazioni. Così deve il buco nero.
Quando i ricercatori hanno deciso di analizzare come i buchi neri evaporano in AdS / CFT, hanno dovuto prima superare un piccolo problema: in AdS / CFT, i buchi neri, infatti, non evaporano. La radiazione riempie il volume confinato come il vapore in una pentola a pressione, e qualunque cosa il foro emetta, alla fine si riassorbe. "Il sistema raggiungerà uno stato stazionario", ha detto Jorge Varelas da Rocha , fisico teorico presso l'Istituto universitario di Lisbona.
Per far fronte a questo, Almheiri e i suoi colleghi hanno adottato un suggerimento di Rocha di mettere l'equivalente di una valvola del vapore sul confine per eliminare la radiazione e impedire che ricadesse. "Risucchia la radiazione", ha detto Netta Engelhardt di il Massachusetts Institute of Technology, uno dei coautori di Almheiri. I ricercatori hanno aperto un buco nero al centro dello spazio di massa, hanno iniziato a emanare radiazioni e hanno osservato cosa è successo.
Per tenere traccia dell'entropia di entanglement del buco nero, hanno attinto alla comprensione più granulare di AdS / CFT che Engelhardt e altri, tra cui Aron Wall presso l'Università di Cambridge, hanno sviluppato negli ultimi dieci anni. I fisici sono ora in grado di individuare quale parte della massa corrisponde a quale parte del confine e quali proprietà della massa corrispondono a quali proprietà del confine.
La chiave per mettere in relazione i due lati della dualità è ciò che i fisici chiamano una superficie estrema quantistica. (Queste superfici sono caratteristiche generali: non è necessario un buco nero per averne uno.) Fondamentalmente immagini di soffiare una bolla di sapone alla rinfusa. La bolla assume naturalmente una forma che riduce al minimo la sua superficie. Non è necessario che la forma sia rotonda, come le bolle alla festa di compleanno di un bambino, perché le regole della geometria possono differire da quelle che conosciamo; quindi la bolla è una sonda di quella geometria. Anche gli effetti quantistici possono dilatarlo.
Calcolando dove si trova la superficie quantistica estrema, i ricercatori ottengono due importanti informazioni. Innanzitutto, la superficie scolpisce la massa in due pezzi e abbina ciascuno a una parte del confine. In secondo luogo, l'area della superficie è proporzionale a parte dell'entropia di entanglement tra queste due parti del confine. Pertanto la superficie quantistica estrema mette in relazione un concetto geometrico (area) con uno quantistico (entanglement), fornendo uno sguardo su come la gravità e la teoria quantistica potrebbero diventare una cosa sola.
Ma quando i ricercatori hanno usato queste superfici quantistiche estreme per studiare un buco nero in evaporazione, è successa una cosa strana. All'inizio del processo di evaporazione, hanno scoperto, come previsto, che l'entropia di entanglement del confine aumentava. Poiché il buco era l'unica cosa all'interno dello spazio, gli autori hanno dedotto che la sua entropia di entanglement fosse in aumento. In termini di calcoli originali di Hawking, finora tutto bene.
All'improvviso è cambiato. Una superficie quantistica estrema si materializzò improvvisamente appena dentro l'orizzonte del buco nero. Inizialmente questa superficie non ha avuto alcun effetto sul resto del sistema. Ma alla fine è diventato il fattore decisivo per l'entropia, portando a una diminuzione. I ricercatori lo confrontano con una transizione come l'ebollizione o il congelamento. "Pensiamo a questo come a un cambiamento di fase analogo alle fasi termodinamiche – tra gas e liquido", ha detto Engelhardt.
Significava tre cose. In primo luogo, l'improvviso cambiamento ha segnalato l'inizio di una nuova fisica non coperta dal calcolo di Hawking. In secondo luogo, la superficie estrema ha diviso in due l'universo. Una parte era equivalente al confine. L'altro era un reame qui-be-draghi di cui il confine non aveva informazioni, indicando che la radiazione sanguinante dal sistema stava avendo un effetto sul suo contenuto informativo.
Terzo, la posizione della superficie quantistica estrema era altamente significativa. Si trovava appena dentro l'orizzonte del buco nero. Man mano che il buco si restringeva, anche la superficie quantistica estrema e, con essa, l'entropia dell'entanglement. Ciò avrebbe prodotto la pendenza verso il basso che Page aveva previsto, la prima volta che un calcolo lo aveva fatto.
Dimostrando che l'entropia dell'entanglement tracciava la curva di pagina, il team è stato in grado di confermare che i buchi neri rilasciano informazioni. Esce in una forma altamente criptata resa possibile dall'entanglement quantistico. In effetti, è così crittografato che non sembra che il buco nero abbia rinunciato a qualcosa. Ma alla fine il buco nero supera un punto critico in cui le informazioni possono essere decrittate. La ricerca, pubblicata a maggio 2019 , ha mostrato tutto questo utilizzando nuovi strumenti teorici che quantificano l'entanglement in modo geometrico.
Anche con questi strumenti, il calcolo doveva essere ridotto alla sua essenza per essere fattibile. La maggior parte di questo universo AdS / CFT aveva solo una singola dimensione di spazio, ad esempio. Il buco nero non era una grande palla nera ma un breve segmento di linea. Tuttavia, i ricercatori hanno sostenuto, la gravità è gravità, e ciò che vale per questo Lineland impoverito dovrebbe valere per l'universo reale. (Nell'aprile 2020, Koji Hashimoto , Norihiro Iizuka e Yoshinori Matsuo dell'Università di Osaka hanno analizzato i buchi neri in una geometria piatta più realistica e hanno confermato che i risultati sono ancora validi .)
Nell'agosto 2019 Almheiri e un altro gruppo di colleghi hanno fatto il passo successivo e hanno rivolto la loro attenzione alle radiazioni. Hanno scoperto che il buco nero e la sua radiazione emessa seguono entrambi la stessa curva di pagina , quindi le informazioni devono essere trasferite dall'uno all'altro. Il calcolo non dice come viene trasferito, solo che lo è.
Come parte del lavoro, hanno scoperto che l'universo subisce uno sconcertante riorganizzazione. All'inizio, il buco nero è al centro dello spazio e la radiazione sta volando fuori. Ma dopo che è trascorso abbastanza tempo, dicono le equazioni, le particelle in profondità nel buco nero non fanno più parte del buco, ma parte della radiazione. Non sono volati verso l'esterno, ma sono stati semplicemente riassegnati.
Ciò è significativo perché queste particelle interne normalmente contribuirebbero all'entropia di entanglement tra il buco nero e la radiazione. Se non fanno più parte del buco nero, non contribuiscono più all'entropia, spiegando perché inizia a diminuire.
Gli autori hanno soprannominato il nucleo interno delle radiazioni "l'isola" e hanno definito la sua esistenza "sorprendente". Cosa significa per le particelle essere nel buco nero, ma non del buco nero? Confermando che le informazioni vengono conservate, i fisici hanno eliminato un puzzle solo per crearne uno ancora più grande. Ogni volta che chiedevo ad Almheiri e ad altri cosa significasse, guardavano in lontananza, momentaneamente senza parole.
Entra nei wormhole
Finora i calcoli presumevano la dualità AdS / CFT – il mondo del globo di neve – che è un importante banco di prova ma alla fine in qualche modo artificioso. Il passo successivo è stato quello di considerare i buchi neri più in generale.
I ricercatori hanno attinto a un concetto che Richard Feynman aveva sviluppato negli anni '40. Conosciuto come integrale del percorso, è l'espressione matematica di un principio fondamentale della meccanica quantistica: tutto ciò che può accadere accade. Nella fisica quantistica, una particella che va dal punto A al punto B prende tutti i percorsi possibili, che sono combinati in una somma ponderata. Il percorso con la ponderazione più alta è generalmente quello che ti aspetteresti dalla fisica classica ordinaria, ma non sempre. Se i pesi cambiano, la particella può oscillare bruscamente da un percorso all'altro, subendo una transizione che sarebbe impossibile nella fisica antiquata.
L'integrale di percorso funziona così bene per il moto delle particelle che i teorici negli anni '50 lo proposero come teoria quantistica della gravità. Ciò significava sostituire una singola geometria spazio-temporale con un mélange di forme possibili. A noi, lo spazio-tempo sembra avere un'unica forma ben definita: vicino alla Terra, è curvo quanto basta perché gli oggetti tendono ad orbitare attorno al centro del nostro pianeta, per esempio. Ma nella gravità quantistica, altre forme, comprese quelle molto più curve, sono latenti e possono apparire nelle giuste circostanze. Lo stesso Feynman ha ripreso questa idea negli anni '60 e Hawking l'ha sostenuta negli anni '70 e '80. Ma anche il loro considerevole genio ha lottato su come eseguire l'integrale del percorso gravitazionale, ei fisici lo hanno messo da parte a favore di altri approcci alla gravità quantistica. "Non abbiamo mai saputo definire esattamente di cosa si tratta – e indovina un po ', ancora non lo sappiamo", ha affermato John Preskill del California Institute of Technology.
Per cominciare, quali sono "tutte" le forme possibili? Per Hawking, questo significava tutte le topologie. Lo spazio-tempo potrebbe annodarsi in forme simili a noci o pretzel. La connettività extra crea tunnel, o "wormhole", tra luoghi e momenti altrimenti lontani. Questi sono disponibili in diversi tipi.
I wormhole spaziali sono come i portali amati dagli scrittori di fantascienza, che collegano un sistema stellare a un altro. I cosiddetti wormhole spazio-temporali sono piccoli universi che nascono dal nostro e si riuniscono con esso qualche tempo dopo. Gli astronomi non hanno mai visto nessuno dei due tipi, ma la relatività generale consente queste strutture e la teoria ha una buona esperienza nel fare previsioni apparentemente bizzarre, come i buchi neri e le onde gravitazionali, che vengono successivamente confermate. Non tutti erano d'accordo con Hawking sul fatto che queste forme esotiche appartengano al mix, ma i ricercatori che hanno condotto le nuove analisi dei buchi neri hanno adottato l'idea provvisoriamente.
Non potevano realisticamente considerare tutte le possibili topologie, che sono letteralmente innumerevoli , quindi hanno esaminato solo quelle che erano più importanti per un buco nero in evaporazione. Questi sono noti, per ragioni matematiche, come punti di sella e sembrano geometrie abbastanza placide. Alla fine, le squadre non hanno effettivamente eseguito la somma completa delle forme, che era al di là di loro. Hanno utilizzato il sentiero integrale principalmente come veicolo per identificare i punti di sella.
Il passaggio successivo, dopo aver applicato il percorso integrale al buco nero e alla sua radiazione, è stato il calcolo dell'entropia dell'entanglement. Questa quantità è definita come il logaritmo di una matrice, una matrice di numeri. Il calcolo è difficile nel migliore dei casi, ma in questo caso i fisici non avevano effettivamente la matrice, che avrebbe richiesto la valutazione dell'integrale di percorso. Quindi hanno dovuto eseguire un'operazione che non potevano fare su una quantità che non conoscevano. Per questo, hanno tirato fuori un altro trucco matematico.
Hanno notato che l'entropia non richiede la conoscenza dell'intera matrice. Potrebbero invece immaginare di eseguire una serie ripetuta di misurazioni sul buco nero e poi combinare quelle misurazioni in un modo che conservasse la conoscenza di cui avevano bisogno. Questo cosiddetto trucco della replica risale allo studio dei magneti negli anni '70 ed è stato applicato per la prima volta alla gravità nel 2013 .
Uno degli autori del nuovo lavoro, Tom Hartman della Cornell University, ha paragonato il trucco della replica al controllo della correttezza di una moneta. Normalmente lo lanci molte volte e vedi se si ferma su ogni lato con probabilità 50-50. Ma supponi di non poterlo fare per qualche motivo. Quindi invece lanci due monete identiche – le "repliche" – e nota quanto spesso finiscono sullo stesso lato. Se ciò accade la metà delle volte, le monete sono giuste. Anche se non conosci ancora le probabilità individuali, puoi dare un giudizio di base sulla casualità. Questo è analogo al non conoscere la matrice completa per il buco nero, ma ancora valutarne l'entropia.
Per quanto sia un trucco, contiene una vera fisica. L'integrale del percorso gravitazionale non distingue le repliche da un vero buco nero. Li prende alla lettera. Ciò attiva alcune delle topologie latenti incluse nell'integrale del percorso gravitazionale. Il risultato è un nuovo punto di sella contenente più buchi neri collegati da wormhole spazio-temporali. È in competizione per l'influenza con la geometria regolare di un singolo buco nero circondato da una nebbia di radiazioni di Hawking.
I wormhole e il singolo buco nero sono ponderati inversamente in base, fondamentalmente, alla quantità di entropia di entanglement che hanno. I wormhole hanno molto, quindi ricevono una ponderazione bassa e all'inizio non sono quindi importanti. Ma la loro entropia diminuisce, mentre quella della radiazione di Hawking continua a salire. Alla fine i wormhole diventano i dominanti dei due e prendono il sopravvento sulle dinamiche del buco nero. Il passaggio da una geometria all'altra è impossibile nella relatività generale classica: è un processo intrinsecamente quantistico. La configurazione geometrica extra e il processo di transizione che vi accede sono le due principali scoperte dell'analisi.
Nel novembre 2019, due squadre di fisici – conosciuti come i gruppi della costa occidentale e della costa orientale per le loro affiliazioni geografiche – hanno pubblicato il loro lavoro dimostrando che questo trucco consente loro di riprodurre la curva di pagina. In questo modo, hanno confermato che la radiazione allontana il contenuto informativo di tutto ciò che cade nel buco nero. La teoria delle stringhe non deve essere vera; anche un critico convinto della teoria delle stringhe può accettare l'integrale del percorso gravitazionale. Tuttavia, per quanto sofisticata sia l'analisi, non dice ancora come le informazioni se ne vadano.
La costruzione dello spazio-tempo
Secondo questi calcoli, la radiazione è ricca di informazioni. In qualche modo, misurandolo, dovresti essere in grado di imparare cosa è caduto nel buco nero. Ma come?
I teorici del gruppo della West Coast hanno immaginato di inviare la radiazione a un computer quantistico. Dopo tutto, una simulazione al computer è essa stessa un sistema fisico; una simulazione quantistica, in particolare, non è del tutto diversa da ciò che sta simulando. Quindi i fisici hanno immaginato di raccogliere tutte le radiazioni, alimentarle in un enorme computer quantistico ed eseguire una simulazione completa del buco nero.
E questo ha portato a una svolta notevole nella storia. Poiché la radiazione è altamente intrecciata con il buco nero da cui proviene, anche il computer quantistico diventa altamente intrecciato con il buco. All'interno della simulazione, l'entanglement si traduce in un collegamento geometrico tra il buco nero simulato e l'originale. In parole povere, i due sono collegati da un wormhole. "C'è il buco nero fisico e poi c'è quello simulato nel computer quantistico, e può esserci una replica del wormhole che li collega", ha detto Douglas Stanford , un fisico teorico a Stanford e membro del team della West Coast. Questa idea è un esempio di una proposta di Maldacena e Leonard Susskind di Stanford nel 2013 secondo cui l'entanglement quantistico può essere pensato come un wormhole . Il wormhole, a sua volta, fornisce un tunnel segreto attraverso il quale le informazioni possono sfuggire dall'interno.
I teorici hanno dibattuto intensamente su come prendere letteralmente tutti questi wormhole. I wormhole sono così profondamente sepolti nelle equazioni che la loro connessione con la realtà sembra debole, eppure hanno conseguenze tangibili. "È difficile rispondere a ciò che è fisico e ciò che non è fisico", ha detto Raghu Mahajan , un fisico a Stanford, "perché c'è qualcosa di chiaramente giusto in questi wormhole".
Ma piuttosto che pensare ai wormhole come a dei veri portali che si trovano là fuori nell'universo, Mahajan e altri ipotizzano che siano un segno di una nuova fisica non locale. Collegando due luoghi distanti, i wormhole consentono agli eventi in un luogo di influenzare direttamente un luogo lontano, senza che una particella, forza o altra influenza debba attraversare la distanza intermedia, rendendo questo un esempio di ciò che i fisici chiamano nonlocalità. "Sembrano suggerire che hai effetti non locali che entrano", ha detto Almheiri. Nei calcoli del buco nero, l'isola e la radiazione sono un sistema visto in due punti, il che equivale a un fallimento del concetto di "luogo". "Abbiamo sempre saputo che un qualche tipo di effetti non locali devono essere coinvolti nella gravità, e questo è uno di questi", ha detto Mahajan. "Le cose che pensavi fossero indipendenti non lo sono realmente."
A prima vista, questo è molto sorprendente. Einstein costruì la relatività generale con il preciso scopo di eliminare la non località dalla fisica. La gravità non raggiunge istantaneamente lo spazio. Deve propagarsi da un luogo all'altro a velocità finita, come qualsiasi altra interazione in natura. Ma nel corso dei decenni i fisici si sono resi conto che le simmetrie su cui si basa la relatività creano una nuova generazione di effetti non locali.
Lo scorso febbraio, Marolf e Henry Maxfield , anche loro a Santa Barbara, hanno studiato la non località implicita nei nuovi calcoli del buco nero. Hanno scoperto che le simmetrie della relatività hanno effetti ancora più estesi di quanto comunemente supposto, il che può dare allo spazio-tempo la qualità della sala degli specchi vista nelle analisi del buco nero.
Tutto ciò rafforza la sensazione di molti fisici che lo spazio-tempo non è il livello radice della natura, ma emerge invece da un meccanismo sottostante che non è spaziale o temporale. Per molti, questa è stata la lezione principale della dualità AdS / CFT. I nuovi calcoli dicono più o meno la stessa cosa, ma senza impegnarsi nella dualità o nella teoria delle stringhe. I wormhole emergono perché sono l'unico linguaggio che l'integrale del percorso può utilizzare per comunicare che lo spazio si sta rompendo. Sono il modo in cui la geometria dice che l'universo è in definitiva non geometrico.
La fine dell'inizio
I fisici non coinvolti nel lavoro, o anche nella teoria delle stringhe, dicono di essere impressionati, se debitamente scettici. " Tanto di cappello a loro, dal momento che quei calcoli sono altamente non banali", ha detto Daniele Oriti dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco.
Ma alcuni si sentono a disagio per il mucchio vacillante di idealizzazioni usate nell'analisi, come la restrizione dell'universo a meno di tre dimensioni spaziali. La precedente ondata di eccitazione per il percorso integrale negli anni '80, guidata dal lavoro di Hawking, è svanita in parte perché i teorici erano innervositi dall'accumulo di approssimazioni. I fisici di oggi stanno cadendo nella stessa trappola? "Vedo che le persone fanno le stesse argomentazioni agitate che sono state fatte 30 anni fa", ha detto Renate Loll della Radboud University nei Paesi Bassi, esperta sull'integrale del percorso gravitazionale. Ha affermato che i wormhole devono essere espressamente vietati se l'integrale deve dare risultati ragionevoli.
Gli scettici temono anche che gli autori abbiano sovrainterpretato il trucco della replica. Supponendo che le repliche possano essere connesse gravitazionalmente, gli autori vanno oltre le invocazioni passate della manovra. "Stanno postulando che tutte le geometrie che collegano repliche diverse siano consentite, ma non è chiaro come ciò si inserisca nel quadro delle regole quantistiche", ha detto Steve Giddings di Santa Barbara.
Date le incertezze del calcolo, alcuni non sono convinti che una soluzione sia disponibile all'interno della teoria semiclassica. "Non c'è una buona scelta se ci si limita alla meccanica quantistica e alla gravità", ha detto Warner. Ha sostenuto modelli in cui gli effetti filamentosi impediscono la formazione di buchi neri in primo luogo . Ma il risultato è sostanzialmente simile: lo spazio-tempo subisce una transizione di fase verso una struttura molto diversa.
Lo scetticismo è giustificato se non altro perché il lavoro recente è complicato e crudo. Ci vorrà tempo prima che i fisici lo digeriscano e trovino un difetto fatale negli argomenti o si convincano che funzionano. Dopo tutto, anche i fisici dietro gli sforzi non si aspettavano di risolvere il paradosso dell'informazione senza una teoria quantistica completa della gravità. Indeed, they thought the paradox was their fulcrum for prying out that more detailed theory. “If you had asked me two years ago, I would have said: 'The Page curve — that's a long way away,'” Engelhardt said. “We're going to need some kind of understanding of quantum gravity.'”
But assuming that the new calculations stand up to scrutiny, do they in fact close the door on the black hole information paradox? The recent work shows exactly how to calculate the Page curve, which in turn reveals that information gets out of the black hole. So it would seem as though the information paradox has been overcome. The theory of black holes no longer contains a logical contradiction that makes it paradoxical.
But in terms of making sense of black holes, this is at most the end of the beginning. Theorists still haven't mapped the step-by-step process whereby information gets out. “We now can compute the Page curve, and I don't know why,” said Raphael Bousso at Berkeley. To astronauts who ask whether they can get out of a black hole, physicists can answer, “Sure!” But if the astronauts ask how to do it, the disquieting reply will be: “No clue.”
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/the-black-hole-information-paradox-comes-to-an-end-20201029/ in data Thu, 29 Oct 2020 17:00:58 +0000.