پارادوکس اطلاعات سیاهچاله (Black hole information paradox)

پارادوکس اطلاعات سیاهچاله یک مسئله حل نشده در فیزیک و پارادوکسی است که زمانی ظاهر می شود که پیش بینی های مکانیک کوانتومی و عمومی…

پارادوکس اطلاعات سیاهچاله نشان دهنده یک مسئله حل نشده در فیزیک است که از ترکیب پیش بینی های به دست آمده از مکانیک کوانتومی و نسبیت عام پدید می آید. نسبیت عام وجود سیاهچاله ها را به عنوان مناطق فضا-زمان تعریف می کند که هیچ موجودی از جمله نور نمی تواند از آن فرار کند. در طول دهه 1970، استیون هاوکینگ از یک رویکرد تئوری میدان کوانتومی نیمه کلاسیک در فضای زمان منحنی برای تجزیه و تحلیل این سیستم‌ها استفاده کرد و کشف کرد که یک سیاه‌چاله منزوی نوع خاصی از تابش را ساطع می‌کند که متعاقباً در تشخیص او تابش هاوکینگ نام گرفت. او همچنین ادعا کرد که ویژگی های دقیق این تابش مشروط به وضعیت اولیه سیاهچاله نیست، بلکه فقط به جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای آن بستگی دارد.

پارادوکس اطلاعات سیاهچاله یک مسئله حل نشده در فیزیک و پارادوکسی است که زمانی ظاهر می شود که پیش بینی های مکانیک کوانتومی و نسبیت عام ترکیب شوند. نظریه نسبیت عام وجود سیاهچاله هایی را پیش بینی می کند که مناطقی از فضازمان هستند که هیچ چیز - حتی نور - نمی تواند از آنها فرار کند. در دهه 1970، استیون هاوکینگ رویکرد نیمه کلاسیک نظریه میدان کوانتومی در فضازمان منحنی را برای چنین سیستم‌هایی به کار برد و دریافت که یک سیاه‌چاله جدا شده، نوعی تشعشع (که اکنون به افتخار او تابش هاوکینگ نامیده می‌شود) ساطع می‌کند. او همچنین استدلال کرد که شکل دقیق تابش مستقل از حالت اولیه سیاه‌چاله است و فقط به جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای آن بستگی دارد.

این پارادوکس اطلاعات زمانی آشکار می‌شود که سناریویی را در نظر بگیریم که در آن یک سیاه‌چاله از طریق یک فرآیند فیزیکی شکل می‌گیرد و متعاقباً تحت تبخیر کامل از طریق تابش هاوکینگ قرار می‌گیرد. محاسبات هاوکینگ نشان داد که حالت نهایی تابش داده‌های منحصراً مربوط به جرم کل حالت اولیه، بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای را حفظ می‌کند. با توجه به اینکه حالت‌های متمایز متعددی می‌توانند دارای جرم، بار و تکانه زاویه‌ای یکسان باشند، این نشان می‌دهد که تعداد زیادی از پیکربندی‌های فیزیکی اولیه می‌توانند به یک حالت نهایی یکسان همگرا شوند. در نتیجه، جزئیات خاص در مورد وضعیت اولیه به طور جبران ناپذیری از دست خواهند رفت. با این حال، این با یک اصل اساسی فیزیک کلاسیک و کوانتومی در تضاد است: اینکه، فقط در اصل، وضعیت یک سیستم در یک نقطه زمانی باید بدون تردید وضعیت آن را در هر زمان بعدی تعیین کند. به طور خاص، در مکانیک کوانتومی، وضعیت یک سیستم توسط تابع موج آن کپسوله می شود. تکامل این تابع موج توسط یک عملگر واحد کنترل می شود، و اصل یکپارچگی حکم می کند که تابع موج در هر لحظه معین می تواند برای تعیین شکل آن در گذشته و آینده استفاده شود. در سال 1993، دان پیج اظهار داشت که اگر سیاهچاله در حالت کوانتومی خالص منشأ گرفته و به طور کامل از طریق یک فرآیند واحد تبخیر شود، آنتروپی فون نویمان تشعشعات هاوکینگ در ابتدا افزایش می یابد و پس از ناپدید شدن سیاهچاله به صفر می رسد. از این پدیده به عنوان منحنی صفحه یاد می شود.

اکنون یک اجماع رایج بر این باور است که اطلاعات در طول تبخیر سیاهچاله حفظ می شود. برای بسیاری از محققان، استخراج منحنی صفحه معادل حل معمای اطلاعات سیاهچاله در نظر گرفته می شود. با این وجود، نظرات در مورد اصلاحات دقیق مورد نیاز برای محاسبه نیمه کلاسیک اولیه هاوکینگ متفاوت است. سال‌های اخیر شاهد بررسی‌هایی در مورد چندین بسط پارادوکس اصلی بوده است. در مجموع، این معماهای مربوط به تبخیر سیاهچاله پیامدهای مهمی برای ادغام لازم گرانش و مکانیک کوانتومی دارند. پارادوکس اطلاعات همچنان یک حوزه فعال تحقیق در گرانش کوانتومی را تشکیل می دهد.

اصول مربوط

در مکانیک کوانتومی، معادله شرودینگر تکامل وضعیت یک سیستم را دیکته می کند. این معادله به دو اصل مهم برای پارادوکس پایبند است: جبر کوانتومی، که ادعا می کند که عملگر تکامل به طور منحصر به فرد تغییرات آینده را با توجه به تابع موج فعلی تعریف می کند. و برگشت پذیری، نشان می دهد که عملگر تکامل دارای معکوس است، در نتیجه منحصر به فرد بودن توابع موج گذشته را تضمین می کند. تلاقی این دو اصل، حفظ همیشگی اطلاعات را الزامی می کند. در این زمینه خاص، "اطلاعات" تمام جزئیات جزئی وضعیت را در بر می گیرد، و ادعای حفظ اطلاعات نشان می دهد که جزئیات مربوط به یک نقطه زمانی قبلی همیشه می توانند در زمان بعدی بازسازی شوند.

معادله شرودینگر به صورت ریاضی رابطه ای بین تابع موج در زمان t₁ و تابع موج در زمان t₂ از طریق اعمال یک عملگر واحد برقرار می کند. $|\Psi (t_{1})\rangle =U(t_{1},t_{2})|\Psi (t_{2})\rangle .$ _53§ ) | Ψ ( t §71_72§ ) ⟩ . {\displaystyle |\Psi (t_{1})\rangle =U(t_{1},t_{2})|\Psi (t_{2})\rangle .} با توجه به ماهیت دوطرفه عملگر واحد، تابع موج در t§90_{91§ از تابع موج در t§92}93§ قابل استخراج است، و برعکس.

برگشت‌پذیری تکامل زمانی فوق‌الذکر منحصراً در وضعیت میکروسکوپی با توجه به وضعیت موجی جامع قابل استفاده است. این پدیده را نباید با برگشت ناپذیری ترمودینامیکی اشتباه گرفت. زمانی که فقط ویژگی های درشت دانه سیستم، به جای جزئیات میکروسکوپی پیچیده آن، که یک روش رایج در ترمودینامیک است، نظارت شود، یک فرآیند می تواند غیرقابل برگشت ظاهر شود. با این وجود، در مقیاس میکروسکوپی، اصول اساسی مکانیک کوانتومی حکم می‌کند که همه فرآیندها کاملاً برگشت‌پذیر هستند.

از اواسط دهه 1970 به بعد، استیون هاوکینگ و جیکوب بکنشتاین گزاره‌های نظری را ارائه کردند که نشان می‌دهد اصل تبخیر سیاه‌چاله منجر به تضاد اصل تبخیر واحد با از دست دادن اطلاعات می‌شود. به طور قابل‌توجهی، این استدلال‌ها برای کاربرد در مقیاس میکروسکوپی در نظر گرفته شده‌اند، و بیان می‌کنند که تبخیر سیاه‌چاله‌ها نه تنها از نظر ترمودینامیکی، بلکه از نظر میکروسکوپی نیز برگشت‌ناپذیر است. این ادعا مستقیماً با اصل قبلی تشریح شده در مورد یکپارچگی در تضاد است و در پارادوکس اطلاعات به اوج خود می رسد. با توجه به اینکه این پارادوکس حاکی از نقض مکانیک کوانتومی در طول تشکیل و تبخیر سیاهچاله است، هاوکینگ آن را به عنوان "تجزیه قابلیت پیش بینی در فروپاشی گرانشی" توصیف کرد.

محاسبه هاوکینگ از طیف تشعشعات منتشر شده از سیاهچاله های جدا شده، پشتیبانی تجربی برای استدلال های مربوط به برگشت ناپذیری میکروسکوپی فراهم کرد. این محاسبه از چارچوب های نظری نسبیت عام و نظریه میدان کوانتومی استفاده می کند. محاسبات تشعشعات هاوکینگ در افق سیاهچاله انجام می شود و عمداً واکنش معکوس هندسه فضا-زمان را حذف می کند. برای سیاهچاله های به اندازه کافی پرجرم، انحنای افق حداقل است، بنابراین هر دو رویکرد نظری را تایید می کند. هاوکینگ با استفاده از قضیه بدون مو، به این نتیجه رسید که تابش سیاهچاله صرفاً به مجموعه محدودی از ویژگی های ماکروسکوپی – به ویژه جرم، بار و چرخش سیاهچاله – بستگی دارد تا ویژگی های پیچیده حالت شکل گیری اولیه آن. علاوه بر این، فرضیه از دست دادن اطلاعات بر ساختار علّی فضازمان سیاه‌چاله‌ها پیش‌بینی شده بود، که فرض می‌کند اطلاعات داخلی نباید بر مشاهدات خارجی، از جمله مشاهدات تابش ساطع شده، تأثیر بگذارد. در نتیجه، اگر این فرض وجود داشته باشد، منطقه فضا-زمان خارج از سیاهچاله اطلاعات مربوط به وضعیت داخلی را به دنبال تبخیر سیاهچاله از دست می دهد و در نتیجه منجر به از دست دادن اطلاعات می شود.

فیزیکدانان معاصر به طور فزاینده ای ادعا می کنند که اصل هولوگرافیک، به ویژه دوگانگی AdS/CFT، به جای آن، اطلاعات اصلی را رد می کند. علاوه بر این، تحلیل‌های علمی اخیر نشان می‌دهد که در چارچوب گرانش نیمه‌کلاسیک، پارادوکس از دست دادن اطلاعات فاقد یک فرمول‌بندی منسجم است، در درجه اول به این دلیل که مفروضات لازم آن را نمی‌توان به طور همزمان برآورده کرد.

تبخیر سیاهچاله

تابش هاوکینگ

بین سال‌های 1973 و 1975، استیون هاوکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها باید به تدریج انرژی ساطع کنند و متعاقباً اظهار داشت که این پدیده منجر به تناقض با اصل وحدت می‌شود. هاوکینگ با استفاده از قضیه کلاسیک بدون مو، ادعا کرد که ویژگی‌های این انرژی ساطع شده، که تابش هاوکینگ نامیده می‌شود، کاملاً مستقل از وضعیت اولیه جسم سماوی یا ماده‌ای است که برای تشکیل سیاه‌چاله دچار فروپاشی گرانشی شده است. او اظهار داشت که این فرآیند تابشی تا تبخیر کامل سیاهچاله ادامه خواهد داشت. با اوج گیری این فرآیند، کل انرژی اولیه سیاهچاله به تابش منتقل می شود. با این حال، فرضیه هاوکینگ پیشنهاد می‌کند که تابش هیچ اطلاعاتی در مورد حالت اولیه حفظ نمی‌کند، در نتیجه حاکی از از دست دادن غیرقابل برگشت اطلاعات است.

به‌طور دقیق‌تر، هاوکینگ این نظریه را مطرح کرد که الگوی تابش تابش از یک سیاه‌چاله تصادفی است، با توزیع احتمال آن به‌جای اینکه توسط سیاه‌چاله، شرایط بار اولیه و درجه حرارت اولیه تعیین می‌شود. فروپاشی در مکانیک کوانتومی، حالتی که از چنین فرآیند احتمالی حاصل می شود، حالت مختلط نامیده می شود. در نتیجه، هاوکینگ پیشنهاد کرد که اگر ستاره مولد یا ماده تشکیل‌دهنده سیاهچاله از یک حالت کوانتومی خالص خاص سرچشمه بگیرد، فرآیند تبخیر این حالت خالص را به حالت مخلوط تبدیل می‌کند. این دگرگونی مستقیماً با اصل یکپارچگی ذاتی تکامل مکانیکی کوانتومی در تضاد است.

پدیده از دست دادن اطلاعات را می توان با بررسی تغییر در آنتروپی ریزدانه فون نویمان در یک حالت معین به صورت کمی ارزیابی کرد. حالت خالص با آنتروپی فون نویمان صفر مشخص می شود، در حالی که حالت مخلوط دارای آنتروپی محدود است. تکامل واحد یک حالت، همانطور که توسط معادله شرودینگر توضیح داده شده است، ذاتا آنتروپی را حفظ می کند. بنابراین، گزاره هاوکینگ حاکی از آن است که فرآیند تبخیر سیاهچاله با چارچوب تکامل واحد ناسازگار است. در حالی که این پارادوکس اغلب در زمینه مکانیک کوانتومی بیان می شود، انتقال از حالت خالص به حالت مختلط نیز با قضیه لیوویل در فیزیک کلاسیک در تضاد است.

کار نظری هاوکینگ نشان داد که با در نظر گرفتن یک میدان کوانتومی که در پس زمینه سیاهچاله منتشر می شود، عملگرهای ایجاد و نابودی در فرکانس $\omega$ و $a_{\omega }^{\dagger }$ ${\displaystyle \langle a_{\omega }a_{\omega }^{\dagger }\rangle _{\rm {hawk}}}}-{1} /{^-over display=$ 122§§12412! -->e−ω/kT{\displaystyle \\\\omega}_} }\rangle _{\rm {hawk}}={1 \over 1-e^{-\omega /{kT}}}}. در این عبارت، k نشان دهنده ثابت بولتزمن و T نشان دهنده دمای سیاهچاله است. این فرمول دو مفهوم مهم را نشان می دهد. اولاً، ویژگی‌های تشعشعات ساطع شده صرفاً توسط یک پارامتر منفرد، دما تعیین می‌شوند، علی‌رغم اینکه وضعیت اولیه سیاه‌چاله برای چنین توصیف منحصربه‌فردی بسیار پیچیده است. ثانیاً، این معادله نشان می‌دهد که سیاهچاله جرم خود را با سرعتی که با ${\displaystyle {dM \over dt}=-{aT^{2}>$ a نشان‌دهنده ثابتی است که از ثابت‌های فیزیکی بنیادی مشتق شده است، که ثابت استفان-بولتزمن و ویژگی‌های خاص فضازمان سیاه‌چاله را که به عنوان عوامل بدن خاکستری شناخته می‌شوند، در بر می‌گیرد.

دمای یک سیاهچاله با جرم، بار و تکانه زاویه ای آن تعیین می شود. برای یک سیاهچاله شوارتزشیلد، دما با معادله زیر نشان داده می شود: $T={\hbar c^{3} \over 8\pi kGM}$ . در نتیجه، یک سیاهچاله با جرم اولیه $M_{0}$ 59§ {\displaystyle M_{0}} بازه زمانی متناسب با $M_{0}^{3}$ 81§ §8485§ en\displaycopplication .

یک مفهوم مهم این معادلات این ادعاست که گاز تشعشعی حاصل، که از طریق این مکانیسم تولید می‌شود، صرفاً به دمای سیاه‌چاله بستگی دارد و از حالت اولیه مشخصه‌های دیگر مستقل است. این پیش فرض یک پارادوکس مهم را به وجود می آورد. به عنوان مثال، اگر دو حالت در ابتدا متمایز شوند و سیاهچاله های شوارتزشیلد با جرم یکسان را تشکیل دهند، در نتیجه دارای دمای یکسانی خواهند بود و تشعشعات هاوکینگ یکسان ساطع می کنند. پس از تبخیر کامل آنها، هر دو سناریو یک گاز تشعشع غیر قابل تشخیص و بی خاصیت تولید می کنند. این یکنواختی نشان می‌دهد که حالت‌های اولیه متمایز اصلی را نمی‌توان متمایز کرد، در نتیجه نشان‌دهنده از دست دادن اطلاعات است.

منحنی صفحه

همزمان در دهه 1970، دان پیج، دانشجوی دکترا زیر نظر استیون هاوکینگ، منطق هاوکینگ در مورد پارادوکس فوق الذکر را به چالش کشید و در ابتدا به نقض احتمالی تقارن CPT اشاره کرد. در سال 1993، تحقیقات پیج به مفهوم سازی یک سیاهچاله و تشعشعات هاوکینگ آن به عنوان یک سیستم دوبخشی منفرد و درهم تنیده، که در طول طول عمر تبخیری سیاهچاله تکامل می‌یابد تغییر کرد. علیرغم فقدان یک تحلیل کوانتومی جامع، پیج بینش مهمی را مطرح کرد: اگر یک سیاهچاله از یک حالت کوانتومی خالص سرچشمه بگیرد و از طریق یک فرآیند واحد تحت تبخیر کامل قرار گیرد، آنتروپی فون نویمان یا آنتروپی درهم تنیدگی تابش هاوکینگ در ابتدا از صفر افزایش می‌یابد و متعاقباً با کاهش انتروپی فون نویمان، تابش هاوکینگ از صفر افزایش می‌یابد. این پدیده منحنی صفحه نامیده می شود. نقطه حداکثر آنتروپی یا نقطه چرخش در این منحنی، که معمولاً در نیمی از کل عمر سیاهچاله رخ می دهد، به عنوان زمان صفحه تعیین می شود. اساساً، تبخیر سیاهچاله واحد به این معنی است که آنتروپی درهم تنیدگی تشعشعات ساطع شده به منحنی صفحه می‌پیوندد، با افزایش همبستگی‌ها و محتوای اطلاعاتی که پس از زمان صفحه در تابش ظاهر می‌شود.

پیشرفت‌های اخیر در استخراج منحنی صفحه برای تبخیر سیاه‌چاله واحد نشان‌دهنده یک پارازیت بزرگ اطلاعاتی است که هم به عقب‌نشینی اطلاعات منجر می‌شود. درک وحدت در گرانش کوانتومی در نتیجه، بسیاری از محققان استخراج موفقیت آمیز منحنی صفحه را با راه حل پارادوکس اطلاعات سیاهچاله برابر می دانند.

فرهنگ عامه پسند

پارادوکس اطلاعات در رسانه‌های عمومی مورد توجه قرار گرفته است و در ادبیات علمی عامه‌پسند روشن شده است. بخشی از این گفتمان عمومی ناشی از یک شرط بندی گسترده در سال 1997 بین جان پرسکیل و استیون هاوکینگ و کیپ تورن بود، در مورد اینکه آیا اطلاعات به طور جبران ناپذیری در سیاهچاله ها گم می شوند یا خیر. کتاب لئونارد ساسکیند در سال 2008، جنگ سیاه چاله، گفتمان علمی پیرامون این پارادوکس را شرح داد. (کار ساسکیند صراحتاً روشن می‌کند که این «جنگ» منحصراً علمی بود و شرکت‌کنندگان دوستی‌های شخصی خود را حفظ کردند.) ساسکیند بازگو می‌کند که هاوکینگ در نهایت ماهیت واحد تبخیر سیاه‌چاله‌ها را پذیرفت، تحت تأثیر اصل هولوگرافیک. این اصل در ابتدا توسط جرارد ت هوفت پیشنهاد شد، متعاقباً توسط ساسکیند گسترش یافت و بعداً تفسیر دقیقی از نظریه ریسمان از طریق مکاتبات AdS/CFT دریافت کرد. در سال 2004، هاوکینگ به طور رسمی شرط بندی سال 1997 را پذیرفت و دایره المعارفی بیسبال را به پرسکیل ارائه داد، که با طنز به عنوان منبعی توصیف می شود که «اطلاعات را می توان به دلخواه از آن بازیابی کرد». با این حال، تورن حاضر به پذیرش نشد.

راه حل ها

به دنبال معرفی مکاتبات AdS/CFT در سال 1997، اجماع غالب در بین فیزیکدانان این گونه است که اطلاعات در واقع در طول تبخیر سیاهچاله حفظ می شود. به طور کلی، دو چارچوب نظری اولیه این پدیده را توضیح می دهند. در "جامعه نظریه ریسمان" گسترده تر، فرضیه غالب حاکی از آن است که تابش هاوکینگ کاملاً حرارتی نیست، بلکه دارای همبستگی های کوانتومی است که داده های مربوط به وضعیت داخلی سیاهچاله را رمزگذاری می کند. این دیدگاه نقطه کانونی تحقیقات گسترده معاصر بوده است و در سال 2019 زمانی که محققین محاسبات آنتروپی تابش هاوکینگ را در مدل‌های خاص اصلاح کردند، اعتبار بیشتری به دست آورد و نشان داد که این تابش در مراحل بعدی واقعاً دوتایی با فضای داخلی سیاه‌چاله است. خود استیون هاوکینگ تحت تأثیر این دیدگاه قرار گرفت و مقاله‌ای را در سال 2004 منتشر کرد که با فرض مکاتبات AdS/CFT، فرض می‌کرد که آشفتگی‌های کوانتومی افق رویداد ممکن است اطلاعات را از یک سیاه‌چاله خارج کند و در نتیجه پارادوکس اطلاعات را حل کند. از این منظر، افق رویداد سیاهچاله، به جای تکینگی آن، اهمیت بالایی دارد. GISR مراجع نمونه ای از این مفهوم است و اغتشاش کوانتومی افق رویداد را با حالت میکروسکوپی سیاهچاله ها جایگزین می کند.

برعکس، در "جامعه گرانش کوانتومی حلقه" گسترده تر، اعتقاد غالب این است که حل پارادوکس اطلاعاتی خود مستلزم تفکیک وضوح سیاهچاله است. این چارچوب‌های نظری عموماً «سناریوهای باقی‌مانده» نامیده می‌شوند، زیرا پیشنهاد می‌کنند که اطلاعات به‌تدریج منتشر نمی‌شوند، بلکه در داخل سیاه‌چاله باقی می‌مانند و صرفاً پس از اتمام تبخیر سیاه‌چاله پدیدار می‌شوند.

محققان همچنین در حال بررسی احتمالات جایگزین هستند، مانند قوانین بنیادی غیرمتعارف برای اصلاح قوانین بنیادی. تکامل زمانی.

حل پارادوکس از طریق اصلاحات کوچک

تصحیحات کوچک در پارادوکس

این فرضیه بیان می‌کند که محاسبات اولیه هاوکینگ برای اصلاحات جزئی که با گذشت زمان برای حفظ اطلاعات مربوط به حالت اولیه کافی می‌شوند، محاسبه نمی‌شوند. این مفهوم را می توان با فرآیند معمول احتراق تشبیه کرد: تشعشعات ساطع شده حرارتی به نظر می رسد، اما ویژگی های پیچیده آن ویژگی های دقیق جسم مصرف شده را رمزگذاری می کند. این گزاره با اصل برگشت پذیری، یک نیاز اساسی مکانیک کوانتومی، همسو است. این نشان دهنده چارچوب نظری غالب در رویکرد نظریه ریسمان گسترده تر به گرانش کوانتومی است.

این رویکرد وضوح تصحیحی را در محاسبات اصلی هاوکینگ ایجاد می‌کند، به‌ویژه همبستگی دو نقطه‌ای را که قبلاً توسط هاوکینگ مشتق شده بود، اصلاح می‌کند، که منجر به عبارت زیر می‌شود:

Maldacena ابتدا این اصلاحات را در یک تکرار ساده از پارادوکس بررسی کرد. متعاقباً، پاپادودیماس و راجو تجزیه و تحلیلی انجام دادند که نشان می‌داد اصلاحات مربوط به همبسته‌های نقطه پایین (به عنوان مثال، $\epsilon _{2}$ ) که سرکوب تصاعدی در آنتروپی سیاهچاله برای حفظ واحد آنتروپی بودند. برعکس، اصلاحات اساسی فقط برای همبستگان بسیار بالا ضروری بود. مکانیسم زیربنایی که شکل‌گیری این اصلاحات کوچک دقیق را تسهیل می‌کند، در ابتدا به عنوان تجزیه موقعیت دقیق در گرانش کوانتومی فرض شد، که به این معنی است که درون سیاه‌چاله و تشعشعات ساطع شده آن درجات آزادی یکسانی دارند. تحقیقات معاصر نشان می دهد که این مکانیسم می تواند به طور دقیق در چارچوب گرانش نیمه کلاسیک اجرا شود و در نتیجه امکان خروج اطلاعات را فراهم می کند.

فرضیه fuzzball به عنوان راه حلی برای پارادوکس.

محققان برجسته، از جمله سمیر ماتور، معتقدند که اصلاحات جزئی ضروری برای حفظ اطلاعات با حفظ ساختار نیمه کلاسیک داخلی سیاهچاله ناسازگار است. در عوض، آنها پیشنهاد می کنند که اصلاح هندسه سیاهچاله به یک "فوزبال" ضروری است.

یک ویژگی اساسی مدل فاززبال وجود ساختار در مقیاس افق است. این به شدت با تصویر سنتی یک فضای داخلی سیاهچاله به عنوان یک منطقه فضایی عمدتاً بدون ویژگی در تضاد است. برای سیاهچاله های به اندازه کافی پرجرم، نیروهای جزر و مدی در افق رویداد ناچیز هستند و تا زمانی که به تکینگی سیاهچاله نزدیک می شوند، در داخل داخلی باقی می مانند. بنابراین، طبق درک متعارف، ناظری که از افق عبور می کند ممکن است این رویداد را تا نزدیک شدن به تکینگی درک نکند. برعکس، فرضیه فاززبال بیان می کند که افق سیاه چاله خالی از محتوا نیست. در نتیجه، خالی از اطلاعات نیست، زیرا جزئیات پیچیده ساختار سطحی در افق، داده‌های مربوط به پیکربندی اولیه سیاه‌چاله را حفظ می‌کند. این ساختار ذاتی همچنین بر تشعشعات هاوکینگ ساطع شده تأثیر می‌گذارد و در نتیجه خروج اطلاعات از توپ فاز را تسهیل می‌کند.

پیشنهاد فاز بال در کشف راه‌حل‌های گرانشی متعددی که هندسه‌های ریز حالت نامیده می‌شوند، تأیید می‌شود. جایگزین فایروال به جای توپ فوز. از نظر عملیاتی، تمایز بین پیشنهادهای فاززبال و فایروال به این بستگی دارد که آیا ناظری که از افق سیاه‌چاله عبور می‌کند، با ماده پرانرژی، همانطور که در پیشنهاد فایروال مطرح می‌شود، یا صرفاً ساختار کم انرژی، همانطور که توسط پیشنهاد فاز بال پیشنهاد می‌شود، مواجه می‌شود. علاوه بر این، پیشنهاد فایروال از تحقیقی در مورد ادعای ماتور مبنی بر اینکه اصلاحات جزئی برای حل پارادوکس اطلاعات ناکافی است، پدیدار شد.

هر دو پیشنهاد fuzzball و فایروال به دلیل عدم وجود مکانیزم مناسبی که قادر به ایجاد ساختار در مقیاس افق است با بررسی دقیق مواجه شده‌اند.

تفکیک پارادوکس از طریق اثرات کوانتومی قوی.

در طول مراحل پایانی تبخیر سیاه‌چاله، اثرات کوانتومی برجسته می‌شوند و نمی‌توان آنها را نادیده گرفت. یک نظریه جامع گرانش کوانتومی برای درک دقیق این مرحله خاص از تبخیر سیاهچاله ضروری است. در چارچوبی که اغلب به عنوان رویکرد گرانش حلقه-کوانتومی به سیاهچاله ها از آن یاد می شود، فرض می شود که روشن کردن این مرحله تبخیری برای حل پارادوکس اطلاعات بسیار مهم است.

این دیدگاه معتقد است که محاسبات هاوکینگ تا مراحل نهایی تبخیر سیاه‌چاله معتبر باقی می‌ماند، در این مرحله اطلاعات به طور ناگهانی از بین می‌رود. یک احتمال جایگزین، اما از نظر مفهومی مشابه، نشان می‌دهد که تبخیر سیاه‌چاله با رسیدن سیاهچاله به ابعاد پلانک، کاملاً متوقف می‌شود. چنین فرضیه هایی در مجموع به عنوان "سناریوهای باقی مانده" تعیین می شوند.

این دیدگاه جذاب است زیرا نیاز به انحراف اساسی از گرانش کلاسیک و نیمه کلاسیک را تنها در حوزه ای دارد که پیش بینی می شود اثرات گرانشی کوانتومی غالب باشد. برعکس، این مفهوم نشان می‌دهد که بلافاصله قبل از انتشار ناگهانی اطلاعات، یک سیاه‌چاله کوچک باید دارای ظرفیت نگهداری مقدار دلخواه اطلاعات و نمایش تعداد زیادی از حالت‌های داخلی باشد. در نتیجه، طرفداران این فرضیه باید با دقت به انتقاد رایج از سناریوهای نوع باقیمانده بپردازند، که فرض می‌کند چنین سناریوهایی می‌توانند مرز بکنشتاین را نقض کرده و از طریق تولید باقیمانده‌ها به عنوان ذرات مجازی در طول رویدادهای پراکندگی معمولی، تئوری میدان مؤثر را نقض کنند.

رزولوشن Soft-Hair به پارادوکس

در سال 2016، هاوکینگ، پری و استرومینگر پیشنهاد کردند که سیاهچاله ها ممکن است دارای "موی نرم" باشند. ذرات فاقد جرم سکون، مانند فوتون ها و گراویتون ها، به دلیل ظرفیت آنها برای وجود در سطوح انرژی پایین دلخواه، ذرات نرم نامیده می شوند. وضوح موی نرم فرض می کند که اطلاعات حالت اولیه در این ذرات نرم کدگذاری می شود. این پدیده موهای نرم برای فضازمان مجانبی چهاربعدی مجانبی منحصربه‌فرد است و مانع اعمال این وضوح متناقض در سیاهچاله‌های موجود در فضای Anti-de Sitter یا سیاهچاله‌های موجود در ابعاد جایگزین می‌شود.

از دست دادن غیرقابل برگشت اطلاعات

در جامعه فیزیک نظری، دیدگاه اقلیت ادعا می کند که اطلاعات در طول شکل گیری و تبخیر بعدی سیاهچاله ها به طور واقعی محو می شوند. این نتیجه‌گیری از این فرض ناشی می‌شود که پیش‌بینی‌های گرانش نیمه‌کلاسیک و معماری علی فضازمان سیاه‌چاله دقیقاً دقیق هستند.

اما، این نتیجه‌گیری مستلزم از دست دادن یکپارچگی است. بانک‌ها، ساسکیند و پسکین ادعا می‌کنند که در موارد خاص، نقض یکپارچگی همچنین نشان‌دهنده نقض بقای انرژی – تکانه یا محلی است. با این حال، این بحث ممکن است در سیستم هایی که دارای درجات آزادی متعددی هستند دور زده شود. برعکس، راجر پنروز معتقد است که عدم وجود یکپارچگی در سیستم‌های کوانتومی مشکلی ایجاد نمی‌کند، زیرا اندازه‌گیری‌های کوانتومی ذاتاً غیر واحد هستند. پنروز ادعا می‌کند که سیستم‌های کوانتومی به محض تأثیرگذاری نیروهای گرانشی، به طور واحد تکامل نمی‌یابند، پدیده‌ای که دقیقاً در سیاه‌چاله‌ها مشاهده می‌شود. کیهان‌شناسی چرخه‌ای منسجم، که توسط پنروز حمایت می‌شود، اساساً بر این فرض تکیه دارد که اطلاعات در واقع در سیاه‌چاله‌ها گم می‌شوند. این چارچوب کیهان‌شناختی جدید می‌تواند از طریق یک بررسی دقیق تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) به‌طور تجربی تأیید شود: اگر دقیق باشد، CMB باید پیکربندی‌های دایره‌ای را نشان دهد که با دمای کمی پایین‌تر یا بالاتر مشخص می‌شوند. در نوامبر 2010، پنروز و وی. اهمیت علمی این مشاهدات متعاقباً موضوع بحث شد.

هم‌زمان، موداک، اورتیز، پنیا و سودارسکی اظهار کرده‌اند که تناقض را می‌توان با توسل به چالش‌های اساسی در نظریه کوانتومی که اغلب به عنوان مسئله اندازه‌گیری مکانیک کوانتومی از آن یاد می‌شود، حل کرد. این تحقیق بر اساس گزاره قبلی اوکان و سودارسکی در مورد مزایای نظریه فروپاشی عینی در چارچوبی گسترده تر گسترش یافت. انگیزه اولیه برای این تحقیقات از فرضیه پایدار پنروز نشأت می گیرد، که نشان می دهد فروپاشی تابع موج در مجاورت سیاهچاله ها و حتی تحت تأثیر میدان گرانشی اجتناب ناپذیر است. اعتبار تجربی نظریه های فروپاشی یک حوزه فعال تحقیقاتی است.

تکمیل سیاهچاله

راه حل پیشنهادی برای پارادوکس اطلاعات سیاهچاله، مکمل سیاهچاله نامیده می شود. این مفهوم فرض می‌کند که اطلاعات دریافتی تکرار می‌شوند، با یک ماکت وارد سیاه‌چاله و دیگری به صورت تشعشعات هاوکینگ. به طور سطحی، به نظر می رسد که این با قضیه عدم شبیه سازی مکانیک کوانتومی، که عدم امکان تکرار اطلاعات را تصریح می کند، در تضاد است. با این وجود، طرفداران مکمل بودن سیاهچاله معتقد بودند که چون ماکت اطلاعات در حال سقوط منحصراً توسط ناظری که در سیاهچاله سقوط می‌کند قابل تشخیص است و ماکت فراری فقط برای یک ناظر خارجی قابل دسترسی است، مشاهده همزمان هر دو نسخه ممنوع است و در نتیجه از نقض قانون جلوگیری می‌شود.

فیزیک معاصر چالش‌های دائمی را با مکمل بودن سیاهچاله شناسایی کرده است، به ویژه در مورد پتانسیل مشاهده هر دو نسخه از اطلاعات کوانتومی. برای سیاه‌چاله‌های شوارتزشیلد، تنها یک نسخه از اطلاعات را می‌توان از نظر تئوری مشاهده کرد، زیرا یک ناظر خارجی که منتظر تابش خروجی برای فرار است، نمی‌تواند به تابش فرودنده قبل از رسیدن به تکینگی دسترسی پیدا کند. با این حال، در مورد یک سیاه‌چاله در حال چرخش یا باردار، تکینگی شبیه به زمان است و به یک قطعه اطلاعات اجازه می‌دهد به طور نامحدود به دور تکینگی بچرخد بدون اینکه هرگز با آن مواجه شود. این سناریو به یک ناظر در حال سقوط که قبلاً تشعشعات خروجی را تشخیص داده است، اجازه می دهد تا متعاقباً تابش ورودی را نیز مشاهده کند.

پارادوکس فایروال

"پارادوکس دیوار آتش" که در سال 2012 پیشنهاد شد، با هدف نشان دادن ناکافی بودن مکمل بودن سیاهچاله ها در حل پارادوکس اطلاعاتی انجام شد. یونیتاریته ایجاب می کند که برای یک سیاهچاله به اندازه کافی پیر، هر ذره تابش هاوکینگ خروجی باید با ذره تابش هاوکینگ که زودتر در طول تبخیر سیاهچاله ساطع شده است، در هم پیچیده شود. با این وجود، طبق نظریه میدان کوانتومی در فضازمان منحنی، ذره باید درهم تنیدگی را با کلون خود که هنوز در سیاهچاله قرار دارد حفظ کند. این شرط، اصل تک‌همسری درهم تنیدگی را نقض می‌کند، که تصریح می‌کند یک ذره فقط می‌تواند با یک ذره دیگر درهم بپیچد. پارادوکس دیوار آتش نشان می دهد که یک "دیوار آتش" شدید انرژی در افق رویداد، ذرات ورودی را از بین می برد، در نتیجه تضاد با تک همسری درهم تنیدگی و یکپارچگی را از بین می برد. با این حال، این گزاره با اصل هم ارزی نسبیت عام که مستلزم آن است که افق رویداد سیاهچاله به صورت محلی قابل تشخیص نباشد، در تضاد است. در نهایت، اگر کدام یک از این اصول اساسی باید کنار گذاشته شود، موضوع بحث آکادمیک جاری باقی می ماند.

سایر قطعنامه های پیشنهادی

چندین راه حل جایگزین برای پارادوکس نیز بررسی شده است.

یک فرضیه بیان می کند که اطلاعات در یک باقیمانده بزرگ نگهداری می شود. این مفهوم پیشنهاد می کند که تابش هاوکینگ قبل از رسیدن سیاهچاله به ابعاد پلانک متوقف می شود. در نتیجه، سیاهچاله هرگز به طور کامل تبخیر نمی‌شود، و اجازه می‌دهد اطلاعات وضعیت اولیه آن در داخل باقی بماند و در نتیجه پارادوکس را حل کند. با این حال، هیچ مکانیسم مشخصی در حال حاضر توضیح نمی دهد که چگونه تشعشعات هاوکینگ می تواند متوقف شود در حالی که یک سیاهچاله ماکروسکوپیک باقی می ماند.
نظریه دیگری نشان می‌دهد که اطلاعات در جهان نوزادی ذخیره می‌شود که از جهان ما جدا می‌شود. برخی از مدل‌های گرانشی، مانند نظریه گرانش انیشتین-کارتان - که نسبیت عام را گسترش می‌دهد تا ماده دارای تکانه زاویه‌ای ذاتی (اسپین) را در بر بگیرد - شکل‌گیری چنین جهان‌های نوزادی را پیش‌بینی می‌کند. این رویکرد نیازی به نقض اصول بنیادی شناخته شده فیزیک ندارد. هیچ محدودیت فیزیکی برای تعداد این جهان ها وجود ندارد، اگرچه تنها یکی از آنها قابل مشاهده است. اعتبار تجربی نظریه انیشتین-کارتان چالش برانگیز است، زیرا پیش‌بینی‌های آن به طور قابل توجهی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام تنها در چگالی‌های بسیار بالا متفاوت است.
پیشنهاد حالت نهایی نشان می دهد که اطلاعات در ارتباط بین آینده و گذشته کدگذاری می شود. این رویکرد مستلزم تحمیل شرایط مرزی در تکینگی سیاهچاله است، که از منظر علی، در آینده همه رویدادهای درون سیاهچاله نهفته است. در حالی که این به آشتی دادن تبخیر سیاه‌چاله با وحدت کمک می‌کند، اما با مفاهیم شهودی علیت و محل تکامل زمانی در تضاد است.
در سال 2014، کریس آدامی استدلال کرد که تجزیه و تحلیلی که از نظریه کانال کوانتومی استفاده می کند، هر پارادوکس ظاهری را حل می کند. آدامی به صراحت مکمل بودن سیاهچاله ها را رد می کند و در عوض مدعی است که هیچ سطحی مانند فضا حاوی اطلاعات کوانتومی تکراری نیست.

مراجع

Bose, Sougato; فوئنتس، ایوت؛ گراسی، اندرو ا. خان، صبا محسار; کوارفورت، صوفیه؛ رادماچر، مارکوس؛ رشید، مدثر; توروس، مارکو؛ اولبریخت، هندریک؛ Wanjura, Clara C. (13 فوریه 2025). "سیستم های کوانتومی عظیم به عنوان رابط های مکانیک کوانتومی و گرانش". بررسی فیزیک مدرن. 97 (1) 015003. arXiv:2311.09218. Bibcode:2025RvMP...97a5003B. doi:10.1103/RevModPhys.97.015003. ISSN 0034-6861. صفحه 11 به عملکرد اطلاعات کوانتومی در پارادوکس می پردازد.

بوز، سوگاتو؛ فوئنتس، ایوت؛ گراسی، اندرو ا. خان، صبا محسار; کوارفورت، صوفیه؛ رادماچر، مارکوس؛ رشید، مدثر; توروس، مارکو؛ اولبریخت، هندریک؛ Wanjura, Clara C. (13 فوریه 2025). "سیستم های کوانتومی عظیم به عنوان رابط های مکانیک کوانتومی و گرانش". بررسی های فیزیک مدرن. 97 (1) 015003. arXiv:2311.09218. Bibcode:2025RvMP...97a5003B. doi:10.1103/RevModPhys.97.015003. ISSN 0034-6861.هاوکینگ، اس. دبلیو. "آیا خدا تاس بازی می کند؟". org.uk. از نسخه اصلی در 11 ژانویه 2012 بایگانی شد. در 14 مارس 2009 بازیابی شد. title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rft.genre=unknown&rft.jtitle=org.uk&rft.atitle+Does+G e%3F&rft.aulast=Hawking&rft.aufirst=S.+W.&rft_id=http%3A%2F%2Forg.uk%2Fdoes-god-play-dice.html𝔯_id=info%3Asid%2Fen.
Preskill, J. (1994, 21 اکتبر). سیاهچاله ها و اطلاعات: بحرانی در فیزیک کوانتومی (PDF). سمینار تئوری کلتک. بایگانی شده از (PDF) در 18 می 2008. بازیابی شده در 17 مه 2009.
پپلو، ام. (2004). "> طبیعت. doi:10.1038/news040712-12. این مقاله گزارشی از تحولات نظری هاوکینگ در سال 2004، همانطور که در Nature منتشر شده است، ارائه می دهد.
هاوکینگ، اس دبلیو (2005). "از دست دادن اطلاعات در سیاهچاله ها." بازبینی فیزیکی D، 72(8)، 084013. arXiv:hep-th/0507171. Bibcode:2005PhRvD..72h4013H. doi:10.1103/PhysRevD.72.084013. S2CID 118893360. این نشریه وضوح پیشنهادی استیون هاوکینگ را در مورد پارادوکس وحدت سیاهچاله ارائه می دهد.

بحث ژوئیه 2005 در مورد پارادوکس از دست دادن اطلاعات و مشارکت استیون هاوکینگ در موضوع وحدت.

هاوکینگ و یکپارچگی: بحث ژوئیه 2005 در مورد پارادوکس از دست دادن اطلاعات و نقش استیون هاوکینگ در آن
مستند BBC Horizon محصول سال 2005 با عنوان "پارادوکس هاوکینگ."
"Horizon" The Hawking Paradox، قابل دسترسی از طریق IMDb.
تحلیلی از رمز و راز سیاهچاله، در چارچوب پارادوکس دیوار آتش.

پارادوکس اطلاعات سیاهچاله (Black hole information paradox)