El problema no es realmente la pérdida de información o incluso tener probabilidades que no suman 1 como dicen algunas de las otras respuestas. El problema es que tendríamos un dominio en el universo donde la mecánica cuántica (QM) no funciona en absoluto (cerca de los agujeros negros) y luego tendríamos todo el resto del universo donde QM funciona excepcionalmente bien.
La radiación Hawking ES el problema: si los agujeros negros nunca se evaporaran, no habría problemas con la mecánica cuántica y los agujeros negros. Las funciones de onda de todas las partículas que forman un agujero negro terminarían concentrándose cerca del centro de la singularidad del agujero negro y eso sería todo.
El problema es que los agujeros negros se evaporan debido a la radiación de Hawking. Para ver el problema, primero considere la función de onda de todas las partículas que crearon el agujero negro, espere 10 ^ 100 años más o menos para la evaporación completa del agujero negro en la radiación de Hawking, luego finalmente considere la función de onda de todos los Hawking salientes radiación emitida por el agujero negro. La pregunta es ¿cómo se relaciona la función de onda de toda la radiación de Hawking saliente con la función de onda de todas las partículas que entraron en la creación del agujero negro? Si hay una transformación unitaria entre las partículas entrantes y la radiación de Hawking saliente, QM sigue siendo una buena teoría del universo, ya que las transformaciones unitarias son la forma en que QM relaciona las funciones de onda en un momento con las funciones de onda en un momento posterior.
- ¿Qué elemento se encuentra principalmente en un agujero negro?
- ¿Cómo la fusión de los agujeros negros convierte la masa en ondas de gravedad en propagación?
- Si el tiempo se ralentiza cuanto más te acercas a un agujero negro, ¿podrías esperar que el tiempo se detenga por completo sin cruzar el horizonte de eventos?
- ¿Qué podemos decir sobre la entropía de un agujero negro?
- ¿Hay algo que pueda sobrevivir al atravesar un agujero negro y salir intacto?
Por otro lado, si no hay una transformación unitaria entre las funciones de onda entrantes y salientes, QM no puede funcionar para la evaporación del agujero negro. Es cierto que la unitaridad asegura que la suma de las probabilidades es siempre 1, pero no hay ningún problema directo con la suma de las probabilidades: se requiere la unitaridad porque así es como funciona QM. Por ejemplo, si la materia que cae que forma el agujero negro estaba en un estado cuántico puro, la radiación de Hawking saliente también tendría que estar en un estado puro relacionado por una transformación unitaria del estado cuántico inicial al final. El problema es que es difícil imaginar cómo un agujero negro podría tener una transformación unitaria entre la función de onda inicial y final. Por ejemplo, la “función de onda” de la materia que cae caerá completamente en el agujero negro y terminará concentrada cerca de la singularidad en el centro del agujero negro. Por otro lado, la radiación de Hawking saliente proviene de la vecindad del horizonte de eventos que está lejos de la singularidad en el centro del agujero negro. ¿Cómo es posible que la radiación saliente desde cerca del horizonte de eventos pueda “evolucionar” a partir de la materia concentrada en la singularidad en el centro del agujero negro?
Esta pregunta es la paradoja de la información del agujero negro. De acuerdo con Wikipedia:
Hawking seguía convencido de que las ecuaciones de la termodinámica de los agujeros negros, junto con el teorema del no cabello, llevaron a la conclusión de que la información cuántica puede ser destruida. Esto molestó a muchos físicos, especialmente a John Preskill, quien en 1997 apostó a Hawking y Kip Thorne que la información no se había perdido en los agujeros negros. Las implicaciones que Hawking había abierto condujeron a la batalla de Susskind-Hawking, donde Leonard Susskind y Gerard ‘t Hooft’ declararon públicamente la guerra ‘en la solución de Hawking, con Susskind publicando un libro popular sobre el debate en 2008 (The Black Hole War: My battle with Stephen Hawking para hacer el mundo seguro para la mecánica cuántica, ISBN 978-0-316-01640-7). El libro señala cuidadosamente que la “guerra” fue puramente científica y que, a nivel personal, los participantes siguieron siendo amigos. La solución al problema que concluyó la batalla es el principio holográfico, que fue propuesto por primera vez por ‘t Hooft pero que Susskind le dio una interpretación precisa de la teoría de cuerdas. Con esto, como dice el título de un artículo, “Susskind aplasta a Hawking en una disputa sobre el dilema cuántico”.
Parecía que la “guerra” había terminado (esencialmente) en 2004 cuando:
En julio de 2004, Stephen Hawking publicó un artículo presentando una teoría de que las perturbaciones cuánticas del horizonte de eventos podrían permitir que la información escape de un agujero negro, lo que resolvería la paradoja de la información. [7] Su argumento asume la unitaridad de la correspondencia AdS / CFT que implica que un agujero negro AdS que es dual a una teoría de campo conformado térmico. Al anunciar su resultado, Hawking también admitió la apuesta de 1997, pagando a Preskill con una enciclopedia de béisbol “de la que se puede obtener información a voluntad”. Sin embargo, Thorne no está convencido de la prueba de Hawking y se negó a contribuir al premio.
Sin embargo, la controversia sobre el experimento mental revivió en el verano de 2012 cuando la controversia del firewall del agujero negro se ” calentó ” (juego de palabras y ver Firewall (física)). Esta controversia es realmente solo una continuación de la paradoja de la pérdida de información del agujero negro de 1975 o del experimento mental. Sigue siendo controvertido hoy (marzo de 2014) y se han propuesto muchas soluciones al problema sin un consenso general de la solución correcta del problema.
Por lo tanto, esta controversia sobre experimentos mentales tiene casi 40 años y ha sido muy fructífera al causar muchos avances y una nueva comprensión de la física de la relatividad general, la mecánica cuántica e incluso la teoría de cuerdas.
Actualmente, mi solución favorita personal para este problema es la solución “ER = EPR” propuesta por Maldecena y Susskind. En junio de 2013, Susskind y Maldecena escribieron un artículo, [1306.0533] Horizontes geniales para agujeros negros enredados donde se propuso la idea ER = EPR (ER = EPR significa Einstein Rosen wormholes es igual a Einstein Podolsky Rosen enredo cuántico – la afirmación de que dos partículas cuánticas enredadas están conectados por un agujero de gusano). Puede leer una descripción un poco más popular de esa idea aquí: Maldacena, Susskind: cualquier enredo es una especie de agujero de gusano (por Luboš Motl). Las implicaciones de esta idea se están resolviendo ahora, pero existe una posibilidad real de que se convierta en una nueva revolución en la física teórica que pueda vincular la geometría, la gravitación y la mecánica cuántica de formas nuevas y emocionantes.
Vea este largo video (76 min) algo técnico de Susskind explicando esta teoría:
(La última parte de esta respuesta fue de la respuesta de Frank Heile a ¿Qué son los experimentos de pensamiento actuales en física?)
