Alice und Bob sind zwei der berühmtesten Entdecker, von denen Sie wahrscheinlich noch nie gehört haben. Wenn ein Quantenexperiment diskutiert wird, sind Alice und Bob normalerweise involviert und sie haben viel zusammen durchgemacht. Aber zuletzt50 Jahre, klassische Physik und Quantenmechanik sind in einen direkten Konflikt geraten an der Spitze der extremsten Objekte im Universum, Schwarzen Löchern, und es ist nicht gut für Alice gelaufen.
Sehen Sie, Alice ist ein subatomares Teilchen, und sie war überall, von der Zeit mit Schrödingers Katze bis hin zur Durchführung immens komplexer Berechnungen in einem Quantencomputer. Aber wenn eine neuere Theorie über ein besonders dornenreiches Physik-Paradoxon richtig ist, könnte Alice vielleichtBeende ihre unerschrockenen Reisen für immer, indem du den Ereignishorizont von a überschreitest. schwarzes Loch, nur um sofort von einer massiven Wand aus intensiver Energie eingeäschert zu werden, die sich entlang des gesamten Ereignishorizonts erstreckt, für immer jenseits unserer Fähigkeit, ihn jemals zu sehen.
Diese Black-Hole-Firewall, wie sie bekannt wurde, wurde sofort als lächerlich und sogar beleidigend abgetan, als sie ursprünglich im Jahr 2012 vorgeschlagen wurde, aber fast ein Jahrzehnt später kämpfen Wissenschaftler immer noch damit, sie zu widerlegen, und die Kontroverse könnte tiefgreifend seinAuswirkungen auf die Physik, wie wir sie kennen.
Eine kurze Geschichte der Schwarzen Löcher
Bevor wir uns mit dem mysteriösen Inneren eines Schwarzen Lochs auseinandersetzen können, sollten wir zunächst beschreiben, was wir über Schwarze Löcher wissen.
Schwarze Löcher wurden erstmals 1783 von einem bescheidenen englischen Rektor John Michell vorhergesagt, der Newtonsche Mechanik, um die Existenz von "Dunklen Sternen" zu postulieren dessen Schwerkraft stärker war als die Fähigkeit eines Lichtteilchens, ihm zu entkommen. Das Konzept der Schwarzen Löcher, mit dem wir jedoch vertrauter sind, entstand aus Albert Einstein und seine Relativitätstheorie von 1915.
Karl Schwarzschild, ein deutscher Physiker und Astronom, las vor einigen Monaten Einsteins Aufsatz über die spezielle Relativitätstheorie von 1905 und produzierte die erste exakte Lösung von Einsteins allgemeinen Gravitationsgleichungen, die hat sogar Einstein selbst beeindruckt."Ich hatte nicht erwartet, dass man die exakte Lösung des Problems so einfach formulieren kann," schrieb er 1916 an Schwarzchild.
Was Schwarzchild jedoch vielleicht am besten bekannt ist, ist die Anwendung der Mathematik von Einsteins Relativitätstheorie und die Ableitung der möglichen Existenz von Schwarzen Löchern basierend auf der Fluchtgeschwindigkeit des Lichts ähnlich wie Michell mit der Newtonschen Mechanik. Schwarzschild selbst tat es nichtglauben, dass Schwarze Löcher tatsächlich existierten, aber seine Arbeit lieferte die mathematische Grundlage, auf der unser modernes Verständnis von Schwarzen Löchern aufbaute.
Das Hauptmerkmal der von ihm beschriebenen Schwarzen Löcher war ein Ereignishorizont, eine Grenze in einer vorhersehbaren Entfernung vom Zentrum der Masse des Schwarzen Lochs, die die Gravitationsschwelle darstellt, bei der die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Schwarzen Loch die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. OnAußerhalb des Ereignishorizonts war eine Flucht möglich, aber sobald Sie diese Grenze überschritten hatten, bedeutete die Relativität, dass Sie nie mehr gehen konnten, da nichts schneller als das Licht reisen kann.
Seit Schwarzchild gab es einige wichtige Entwicklungen in unserem Verständnis von Schwarzen Löchern, aber diese grundlegenden Merkmale sind mehr oder weniger gleich geblieben, seit er sie zum ersten Mal vorgeschlagen hat.
Einige grundlegende Merkmale der Quantenmechanik
Wenn wir für einen Moment die Makroskala verlassen, müssen wir jetzt unter die Ebene des Atoms tauchen und subatomare Teilchen diskutieren.
Subatomare Materie verhält sich auf makroskaliger Ebene nicht wie Materie. Stattdessen wird das Universum auf Quantenebene von einer seltsamen Welt von Wahrscheinlichkeiten regiert und Physik trotzende Eigenschaften wie Quantenverschränkung.
Diese Eigenschaft der Quantenverschränkung, bei der zwei subatomare Teilchen miteinander wechselwirken und dabei untrennbar miteinander verbunden werden, so dass sie sich wie ein einzelnes Objekt verhalten, scheint die Relativität nicht zu beachten und glücklich Informationen zwischen zwei verschränkten Teilchen zu übertragenaugenblicklich über Entfernungen, die so groß sind, dass man sagen kann, dass diese Informationen schneller, manchmal exponentiell schneller als Licht reisen.
Einstein und andere bekannte Physiker in der ersten Hälfte des 20Klang und einige der fundamentalen Gesetze haben sich als so unangreifbar wie die Relativität erwiesen. Die Quantenverschränkung ist nicht nur vorhersehbar, sie ist das Fundament von eigentlich funktionierende Technologie wie Quantencomputer.
Die Quantenmechanik basiert jedoch nicht auf derselben Art von Mathematik wie die klassische Physik. Die klassische Physik beruht auf vorhersehbaren mathematischen Techniken wie der Infinitesimalrechnung, während die Quantenmechanik hauptsächlich auf Wahrscheinlichkeiten, der Mathematik des Kartenspiels und dem Craps-Tisch aufgebaut ist.
Die Wahrscheinlichkeiten, die der Quantenmechanik zugrunde liegen, beruhen jedoch auf einem wichtigen Prinzip, das nicht verletzt werden kann: der Bewahrung von Informationen.
Wenn Sie einen sechsseitigen Würfel würfeln, haben Sie eine gleiche Chance von eins zu sechs, einen seiner Werte zu würfeln, aber die Wahrscheinlichkeit, dass Sie würfeln werdena Ergebnis ist 1, was die Summe der einzelnen Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen Ergebnisse ist im Fall des Würfels haben alle eine 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 eine Wahrscheinlichkeit von einem Sechstel,addieren Sie also alle sechs Einsechstel zusammen und Sie erhalten sechs Sechstel, was gleich 1 ist. Diese Aufsummierung von Wahrscheinlichkeiten in der Quantenmechanik ist als Einheitsprinzip bekannt.
Diese Vorhersagequalität der Wahrscheinlichkeit beruht jedoch auf einer noch grundlegenderen Regel, nämlich dass die Kenntnis des aktuellen Quantenzustands eines Teilchens seinen zukünftigen Zustand vorhersagt und auch ermöglicht es Ihnen, das Partikel in seinen vorherigen Zustand zurückzuspulen.
Wenn Sie theoretisch genau wissen, wie ein Würfel gewürfelt wurde und das Ergebnis, könnten Sie in der Zeit zurückgehen, um zu erkennen, welche Seite nach oben zeigt, als Sie sich in Ihrer Hand befanden.
Damit dies jedoch funktioniert, muss diese Information über einen früheren Quantenzustand irgendwie im Universum erhalten bleiben. Wenn sie plötzlich verschwinden würde, wäre es, als würde man eine der Würfelseiten vom Würfel nehmen und nichts zurücklassenseinen Platz.
Wenn dieser Würfel erneut gewürfelt wird, haben seine fünf verbleibenden Seiten immer noch eine Wahrscheinlichkeit von eins zu sechs, aber jetzt addieren sich diese Seiten zu fünf Sechsteln statt zu 1. Das Zerstören von Informationen, wie das Entfernen einer dieser Würfelseiten, bricht also das QuantumWahrscheinlichkeiten dieses Würfelwurfs.
Diese Art von Übertretung in der Quantenmechanik kann nicht zugelassen werden, da die Zerstörung der Informationen direkt dazu führt, dass wir nicht einmal sagen können, mit wie vielen Würfelgesichtern wir ursprünglich begonnen haben, und wir daher nicht wissen konnten, welchewahre Wahrscheinlichkeiten für alles.
Quantenmechanik, wie wir sie kennen, würde nicht mehr funktionieren, wenn die Quanteninformation irgendwie zerstört wird.
Außerdem gibt es in der Quantenmechanik auch ein Prinzip, das als monogame Quantenverschränkung bekannt ist. Im Wesentlichen kann ein Teilchen nur mit einem anderen Teilchen maximal verschränkt sein, unter Ausschluss aller anderen, und dies ist der Schlüssel dazu, wie Informationen in einem QuantenSystem bleibt erhalten.
Die Quantenmechanik hat viel mehr zu bieten als nur diese Prinzipien, aber diese sind die wesentlichen, um zu verstehen, wie der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wirklich eine gigantische, unsichtbare Hülle aus glühend heißer Energie sein könnte.
Hawking-Strahlung
Als Steven Hawking in den 1970er Jahren seine wichtigste Arbeit über Schwarze Löcher machte, wollte er nicht den Grundstein für eine Schwarze-Loch-Firewall legen, die alles vernichtet, was unglücklich genug ist, hineinzufallen, aber vielleicht war es das, was er tat, als erschlug die Existenz vor Hawking-Strahlung im Jahr 1974.
Selbst im leersten Weltraum brodelt die Quantenaktivität. Es wird angenommen, dass sich spontan miteinander verschränkte virtuelle Quantenteilchen- und Antiteilchen-Paare ständig materialisieren und sich gegenseitig vernichten und Energie aus dem Universum ziehen, um zu erschaffensich selbst und geben dieselbe Energie zurück, wenn sie sich gegenseitig zerstören.
Hawking erkannte jedoch, dass, wenn ein Paar virtueller Teilchen am Rand des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs materialisiert, ein Teilchen in das Schwarze Loch fallen könnte, während sein verschränkter Partner auf der Außenseite in der Lage ist, sich vom Schwarz zu befreienLoch und entkommen, was heute als Hawking-Strahlung bekannt ist.
Das Problem ist, dass nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik Energie in einem geschlossenen System erhalten bleiben muss. Wenn zwei virtuelle Teilchen aus der Energie des Universums ziehen, um sich zu materialisieren, sich aber nicht sofort vernichten, dann ist die Energieaus dem Universum gezogen, ohne es zurückzuerstatten. Der einzige Weg, wie so etwas passieren kann, besteht darin, dass das einfallende Teilchen eine negative Energie im gleichen absoluten Wert wie die positive Energie des entweichenden Teilchens haben muss.
Aber Schwarze Löcher sind zwar immens massiv und energiereich, aber nicht unendlich – sie haben eine definierte Masse, und jedes einfallende Teilchen mit negativer Energie zieht eine verschwindend kleine Menge der Masse dieses Schwarzen Lochs ab, wenn es eindringt. Wenn das Schwarze Loch dies tutakkretieren kein zusätzliches Material, um mehr Masse hinzuzufügen, diese winzigen Subtraktionen aufgrund der Hawking-Strahlung beginnen sich zu addieren, und wenn mehr Masse verdampft wird, beschleunigt sich die Verdampfung des Schwarzen Lochs.
Irgendwann wird genug Hawking-Strahlung emittiert, dass die größten Schwarzen Löcher zu nichts schrumpfen und einfach aussterben.
Das Informationsparadox
Die Herausforderung durch die Hawking-Strahlung besteht darin, dass selbst wenn die Raumzeit durch die Singularität eines Schwarzen Lochs unendlich verzerrt wird, angenommen wird, dass jede Quanteninformation, die in ein Schwarzes Loch eindringt, immer noch irgendwie erhalten und daher theoretisch abrufbar ist.
Wenn nichts anderes, hängen all diese Informationen an der unendlichen Singularität des Schwarzen Lochs und können zumindest noch in alle Quantenwahrscheinlichkeiten einfließen, sodass sich alles weiterhin zu 1 addiert.
Kritischerweise sagte Hawking, dass diese Strahlung, auch wenn sie noch mit ihrem einfallenden Antiteilchen verstrickt ist, keine kodierten Informationen über das Schwarze Loch oder seinen Inhalt enthält.
Dies bedeutet, dass alle Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, es niemals verlassen und aufgrund der Hawking-Strahlung vermutlich zusammen mit dem Schwarzen Loch in nichts verdampfen würden. Dies würde all diese Informationen aus der gesamten Quantengleichung nehmen unddie Wahrscheinlichkeiten würden plötzlich nicht mehr richtig addieren.
Andere Physiker wie John Preskill vom California Institute of Technology haben argumentiert, dass sich Hawking-Strahlung tatsächlich mit dem Bereich unmittelbar außerhalb des Ereignishorizonts verfängt, in dem die Quanteninformationen von einfallenden Teilchen kodiert werden müssen. Solange das einfallende Teilchen und dieäußere Teilchen teilen diese Informationen nicht untereinander, Quanteninformationen müssen nicht zerstört werden.
Dies war anfangs ein verworrener Knoten, aber im Jahr 2012 schlugen Physiker der University of California in Santa Barbara eine Lösung für das Informationsparadox vor, die alles nur noch umstrittener zu machen schien.
Die große Kontroverse um die Firewall des Schwarzen Lochs
Bei dem Versuch, mit dem Informationsparadox im Jahr 2012 zu ringen, Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski und James Sully – zusammen bekannt als AMPS – veröffentlichten einen Artikel in der Journal of High Energy Physics argumentiert, dass sich am Rand des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs eine wirbelnde Energiewand befand, die so intensiv war, dass sie alles, was sie berührte, vollständig verbrannte.
Dies war das Ergebnis, argumentierte AMPS, dass die Verschränkung, die dafür verantwortlich ist, dass die Hawking-Strahlung durch den Ereignishorizont effektiv durchtrennt wird, wodurch eine enorme Energiemenge freigesetzt wird. Und da die Hawking-Strahlung ein konstanter Prozess entlang des Randes des Ereignisses istHorizont wird diese Energie auch über den gesamten Ereignishorizont hinweg ständig freigesetzt.
Was diese Theorie so umstritten macht, ist, dass dies eine andere Säule der modernen Physik verletzen würde: das Äquivalenzprinzip. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Schwerkraft und Trägheitskräfte haben eine ähnliche Natur und sind oft nicht zu unterscheiden. Du könntest also nicht in der Lage seinErkläre den Unterschied zwischen einem stationären Aufzug in einem Gravitationsfeld und einem beschleunigenden Aufzug im freien Raum.Das bedeutet, dass ein Beobachter, wenn er den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passiert, nichts Ungewöhnliches bemerken sollte – zumindest nicht sofort –, weil es immer noch außerhalb des Ereignishorizonts mit dem Beobachter verschränkt ist.
Die Gezeitenkraft der unglaublichen Schwerkraft der Singularität würde den Beobachter schließlich in eine sehr lange Reihe von Atomen zerreißen, aber abhängig von der Größe des Schwarzen Lochs könnte ein Beobachter für einen beliebigen Zeitraum von a weiter in Richtung der Singularität des Schwarzen Lochs schwebenwenige Mikrosekunden bis möglicherweise einige Jahrzehnte, bevor diese Spaghettifizierung auftritt.
Wenn die Firewall-Theorie des Schwarzen Lochs jedoch richtig ist, würde der einfallende Beobachter nicht einmal den Ereignishorizont passieren, da das äußere Teilchen zu Hawking-Strahlung wird, wenn sein verschränktes Gegenstück in das Schwarze Loch fällt. Damit die Quanteninformation im Inneren desSchwarzes Loch zu erhalten, muss sich die neue Hawking-Strahlung mit dem Bereich außerhalb des Ereignishorizonts verschränken.
Die Quantenmechanik verbietet diese Art der Doppelverschränkung. Entweder verschränkt sich Hawking-Strahlung nicht mit der Region entlang des Ereignishorizonts, was bedeutet, dass Quanteninformation endgültig verloren geht, oder ihre Verschränkung mit dem einfallenden Teilchen muss am Ereignishorizont durchtrennt werden,was bedeutet, dass die Äquivalenz zusammenbricht, was unaufhaltsam zur Schwarzen-Loch-Firewall führt.
Dies kam bei den Physikern nicht gut an, da die Aufhebung des Äquivalenzprinzips die gesamte Grundlage der Raumzeit unter Einsteins Relativität entziehen würde, was angesichts der regelmäßigen Validierung der Relativität durch Experimente einfach nicht möglich wäre.Wenn nicht, dann müssen all diese Experimente eine 90-jährige Serie von Zufallstreffern gewesen sein, die zufällig eine falsche Idee bestätigten.
Dies war AMPS nicht entgangen, der darauf hinwies, dass, wenn jeder die Äquivalenz bewahren wollte, er keine andere Wahl hatte, als die Bewahrung von Informationen zu opfern oder das, was wir über die Quantenfeldtheorie wussten, komplett neu zu schreiben.
Versuche, die Black-Hole-Firewall zu skalieren
Steve Giddings, Quantenphysiker an der University of California, Santa Barbara, sagte das produzierte Papier"eine Krise in den Grundlagen der Physik, die möglicherweise einer Revolution bedarf.
Als Raphael Bousso, ein String-Theoretiker an der University of California, Berkeley, las zuerst das AMPS-Papier, er fand die Theorie absurd und glaubte, es würde schnell abgeschossen. "Eine Firewall kann einfach nicht im leeren Raum erscheinen, genauso wenig wie eine Backsteinmauer plötzlich in einem leeren Feld auftauchen und einem ins Gesicht schlagen kann", sagte er.
Aber im Laufe der Jahre war niemand wirklich in der Lage, eine zufriedenstellende Widerlegung anzubieten, um die Kontroverse beizulegen.Bousso sagte einer Versammlung von Experten für Schwarze Löcher, die 2013 zum CERN gekommen waren, um die Firewall für Schwarze Löcher zu diskutieren, dass die Theorie „die Grundlagen dessen erschüttert, was die meisten von uns über Schwarze Löcher glaubten … Sie stellt im Wesentlichen die Quantenmechanik gegenAllgemeine Relativitätstheorie, ohne uns Hinweise zu geben, in welche Richtung wir als nächstes gehen sollen."
Die Kontroverse hat jedoch einige interessante Gegentheorien hervorgebracht. Giddings vorgeschlagen im Jahr 2013 dass, wenn die Hawking-Strahlung eine kurze Entfernung vom Ereignishorizont erreichen würde, bevor ihre Verschränkung mit dem einfallenden Teilchen aufgebrochen wird, die Energiefreisetzung gedämpft genug wäre, um Einsteins Äquivalenzprinzip zu bewahren. Dies hat jedoch seine eigenen Kosten, daes würde immer noch erfordern, einige der Regeln der Quantenmechanik umzuschreiben.
Preskill hat Hawking 1997 bekanntlich darauf gewettet, dass Informationen nicht in einem Schwarzen Loch verloren gehen, und kurz nachdem Juan Maldacena von der Havard University eine Theorie aufgestellt hatte, argumentierte, dass "Hologramme" 3D-Informationen in einem 2D-Raum kodieren könnten, in dem die Schwerkraft keineEinfluss, so dass Informationen doch ihren Weg aus dem Schwarzen Loch finden können.
Dieses Argument erwies sich als überzeugend genug für Hawking, der Preskill zugab, dass Informationen doch gespeichert werden könnten. Mit dieser Geschichte macht Preskill einen seltsamen Verfechter der Idee, dass Informationsverlust tatsächlich die am wenigsten anstößige Lösung für die Black-Hole-Firewall ist, aberdas war das Argument, das er auf der Konferenz 2013 vorbrachtemein Leben auf Einheit verwetten?", fragte er die Teilnehmer.
Eine andere mögliche Lösung für das Black Hole Firewall Problem war vorgeschlagen von Maldacena und Stanford University, Leonard Susskind im Jahr 2013: Wurmlöcher.
Im Vorschlag von Maldacena und Susskind sind Quantenverschränkung und Einstein-Rosen-Brücken beide eng miteinander verbunden und könnten zwei Arten sein, dasselbe Phänomen zu beschreiben. Wenn Wurmlöcher aus dem Inneren des Schwarzen Lochs die einfallenden Teilchen mit ihren äußeren Partnern verbinden könnten, danneine Form der Verschränkung könnte beibehalten werden, die es nicht erfordert, die Verschränkung am Ereignishorizont zu durchbrechen, wodurch die Notwendigkeit einer Firewall umgangen wird.
Bei all ihrem Erfindungsreichtum scheint jedoch niemand mit den Antworten ganz zufrieden zu sein, auch wenn er die Spannung der Debatte selbst genießt.
"Das ist wahrscheinlich das Aufregendste, was mir passiert ist, seit ich Physik habe." Bousso sagte. „Es ist sicherlich das schönste Paradoxon, das mir begegnet ist, und ich freue mich darauf, daran zu arbeiten.“