Schwarze Löcher können keine Informationen darüber senden, was sie schlucken – und das ist ein Problem

Drei Zahlen.

Nur drei Zahlen – mehr braucht es nicht, um ein Schwarzes Loch vollständig und 100% eindeutig in der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben. Wenn ich Ihnen die Masse, die elektrische Ladung und den Spin (d. h. den Drehimpuls) eines Schwarzen Lochs sage, sind wir fertig. Das ist alles, was wir darüber wissen und alles, was wir brauchen, um seine Eigenschaften zu beschreiben.

Mit diesen drei Zahlen können wir alles darüber berechnen, wie das Schwarze Loch mit seiner Umgebung interagiert, wie die Objekte um es herum darauf reagieren und wie sich das Schwarze Loch in Zukunft entwickeln wird.

Trotz all ihrer heftigen Gravitationsfähigkeiten und ihrer unheiligen außerirdischen Natur sind Schwarze Löcher überraschend einfach. Wenn ich Ihnen zwei Schwarze Löcher mit genau derselben Masse, Ladung und demselben Spin geben würde, könnten Sie sie nicht auseinanderhalten. Wenn Sie die Plätze wechseln, ohne hinzusehen, werden Sie nicht wissen, dass ich es getan habe.

Es bedeutet auch, dass Sie, wenn Sie ein voll ausgebildetes Schwarzes Loch sehen, keine Ahnung haben, warum es entstanden ist. Jede Kombination aus kompakter Masse in einem ausreichend kleinen Volumen kann die Aufgabe erfüllen. Es könnte der superdichte Kern eines sterbenden Sterns sein. Es wäre ein sehr dicker Wurf von entzückenden Katzen gewesen, die in Vergessenheit geraten wären.

Solange Masse, Ladung und Rotation gleich sind, spielt die Geschichte keine Rolle. Es gibt keine Informationen über das ursprüngliche Material, das das Schwarze Loch geschaffen hat. Oder ist es?

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„Informationen“ ist ein leicht belasteter Begriff; Sie können unterschiedliche Definitionen annehmen, je nachdem, wen Sie fragen und in welcher Stimmung sie sind. In der Physik ist das Konzept der Information eng mit unserem Verständnis verbunden, wie sich physikalische Systeme entwickeln und wie wir unsere Theorien in der Physik konstruieren.

Wir glauben gerne, dass die Physik ein relativ nützliches Modell zum Verständnis des Universums ist, in dem wir leben. Einer der Vorteile der Physik liegt in ihrer Fähigkeit, Vorhersagen zu treffen. Wenn ich Ihnen eine Liste aller Informationen über ein System gebe, sollte ich in der Lage sein, die Gesetze und Theorien der Physik anzuwenden, um Ihnen zu sagen, wie sich dieses System entwickeln wird. Und das Gegenteil ist auch wahr. Wenn ich Ihnen jetzt den Status des Systems mitteile, können Sie die gesamte Berechnung wiederholen, um zu sehen, wie das System in seinen aktuellen Status gelangt ist.

Diese beiden Konzepte sind bekannt als Unvermeidlichkeit (Ich kann die Zukunft vorhersagen) und Betrachtung (Ich kann die Vergangenheit lesen) Und es ist so ziemlich der grundlegende Kern der Physik. Wenn unsere physikalischen Theorien diese Eigenschaften nicht hätten, könnten wir nicht viel Arbeit erledigen.

Diese beiden Konzepte gelten auch für die Quantenmechanik. Ja, die Quantenmechanik setzt strenge Grenzen für das, was wir über das Universum messen können, aber das bedeutet nicht, dass alle Wetten geschlossen sind. Stattdessen können wir einfach einen gut definierten klassischen Zustand durch einen unscharferen Quantenzustand ersetzen und mit unserem Leben weitermachen; Der Quantenzustand entwickelt sich gemäß der Schrödinger-Gleichung, die sowohl Determinismus als auch Reversibilität unterstützt, also geht es uns allen gut.

Beim Verbrennen eines Buches gehen keine Informationen verloren; Es ist nur eine Mischung.

Dieser Doppelschlag aus Determinismus und Reversibilität bedeutet physikalisch gesehen, dass Informationen während jedes Prozesses erhalten bleiben müssen. Es kann nicht erstellt oder zerstört werden – Wenn wir Informationen einzeln hinzufügen oder entfernen, können wir die Zukunft nicht vorhersagen oder die Vergangenheit lesen. Jeder Verlust oder Gewinn bedeutet, dass entweder Informationen fehlen oder zusätzliche Informationen vorhanden sind, sodass die gesamte Physik zu Staub zerfällt.

Es gibt viele Prozesse, die Er erscheint Informationen zu vernichten, aber nur, weil wir nicht sorgfältig genug folgen. Nehmen Sie zum Beispiel das Verbrennen eines Buches. Wenn ich Ihnen einen Haufen Asche gebe, scheint dies unumkehrbar zu sein: Sie können das Buch auf keinen Fall wieder zusammensetzen. Aber wenn Sie ein ausreichend starkes Mikroskop zur Verfügung haben (und viel Geduld) und mich beim Brennen des Buches im Auge behalten müssen, können Sie – im Prinzip zumindest, was gut genug ist – die Bewegung beobachten und verfolgen jedes Moleküls im Prozess. Sie können dann all diese Bewegungen und all diese Interaktionen umkehren, um das Buch neu aufzubauen. Beim Verbrennen eines Buches gehen keine Informationen verloren; Es ist nur eine Mischung.

In der klassischen, traditionellen Sicht auf Schwarze Löcher ist all diese informationsbezogene Arbeit überhaupt kein Problem. Die Informationen, die zum Bau des Schwarzen Lochs verwendet wurden, werden einfach weit hinter dem Ereignishorizont verdeckt – der Einbahngrenze auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs, die es so einzigartig macht. Einmal dort, werden die Informationen in diesem Universum nie wieder gesehen. Ob ein Schwarzes Loch aus sterbenden Sternen oder zerquetschten Katzen entsteht, es passiert nicht praktisch Ausgabe. Die Informationen dürfen nicht zerstört werden, sind aber dauerhaft vor neugierigen Blicken verborgen.