Disco rígido cósmico da natureza? Buracos negros podem armazenar informações como hologramas

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Prolongar / Novas pesquisas sugerem que realmente podemos descrever os buracos negros como hologramas: eles têm duas dimensões, nas quais a gravidade desaparece, mas reproduzem um objeto em três dimensões.

Gerd Altmann para PIxabay

Há quase 30 anos, os físicos teóricos introduziram o "princípio holográfico", uma teoria alucinante de que nosso universo tridimensional é na verdade um holograma. Agora os físicos estão aplicando esse mesmo princípio aos buracos negros, argumentando em um novo papel publicou na Physical Review X que as informações de um buraco negro estão contidas em uma superfície bidimensional, capaz de reproduzir uma imagem do buraco negro em três dimensões – exatamente como os hologramas que vemos na vida cotidiana.

Buracos negros, conforme descrito pela relatividade geral, são objetos simples. Tudo o que você precisa para descrevê-los matematicamente é a massa e a rotação, além da carga elétrica. Portanto, não haveria mudança perceptível se você jogasse algo dentro de um buraco negro – nada que desse uma pista sobre o que esse objeto poderia ter sido. Essa informação está perdida.

Mas surgem problemas quando a gravidade quântica entra em cena, porque as regras da mecânica quântica sustentam que a informação nunca pode ser destruída. E na mecânica quântica, os buracos negros são objetos incrivelmente complexos e, portanto, devem conter uma grande quantidade de informações. Como nós relatado anteriormenteJacob Bekenstein percebeu em 1974 que os buracos negros também têm temperatura. Stephen Hawking tentou provar que ele estava errado, mas acabou provando que estava certo, concluindo que os buracos negros tinham, portanto, que produzir algum tipo de radiação térmica.

Portanto, os buracos negros também devem ter entropia – tecnicamente, um meio de determinar quantas maneiras diferentes você pode reorganizar os átomos de um objeto e ainda assim ter a mesma aparência. Hawking foi o primeiro a calcular essa entropia. Ele também introduziu a noção de "radiação Hawking": o buraco negro emitirá um pouquinho de energia, diminuindo sua massa em uma quantidade correspondente. Com o tempo, o buraco negro irá evaporar. Quanto menor o buraco negro, mais rapidamente ele desaparece. Mas o que acontece então com a informação que ela continha? É realmente destruído, violando a mecânica quântica, ou é de alguma forma preservado na radiação Hawking?

o princípio holográfico emergiu de teoria das cordas como uma solução proposta para esse paradoxo da informação nos anos 90. Ele afirma que as informações sobre o interior de um buraco negro podem ser codificadas em sua área de superfície bidimensional (o "limite"), e não dentro do seu volume tridimensional (o "volume"). Como Ars John Timmer escreveu em 2011:

É possível … descobrir quanta informação foi atraída para o buraco negro. Depois de fazer isso, você pode ver que o valor total pode estar relacionado à área da superfície do horizonte de eventos, o que sugeria onde as informações poderiam ser armazenadas. Mas como o horizonte de eventos é uma superfície bidimensional, as informações não podem ser armazenadas na matéria regular; em vez disso, o horizonte de eventos forma um holograma que mantém as informações à medida que a matéria passa por elas. Quando esse assunto passa como radiação Hawking, as informações são restauradas. … O preço era que as informações eram "irremediavelmente embaralhadas" quando você o fazia.

Leonard Susskind e Gerard 't Hooft estenderam essa noção a todo o universo, comparando-a a
um holograma: nosso universo tridimensional em toda a sua glória emerge de um "código fonte" bidimensional Juan Maldacena descobriu então uma dualidade crucial (tecnicamente conhecida como Correspondência AdS / CFT) – o que equivale a um dicionário matemático que permite aos físicos ir e voltar entre as línguas dos dois mundos. (Dualidades na física referem-se a modelos teóricos que parecem diferentes, mas podem ser mostrados para descrever exatamente a mesma coisa. É um pouco como o gelo, a água e o vapor são três fases diferentes da mesma substância química, exceto que a dualidade olha o mesmo fenômeno de duas maneiras diferentes que são inversamente relacionadas.)

"Esse princípio revolucionário e um tanto contra-intuitivo propõe que o comportamento da gravidade em uma determinada região do espaço possa ser alternativamente descrito em termos de um sistema diferente, que vive apenas ao longo da borda da região e, portanto, em uma dimensão a menos", Francesco Benini Paolo Milan – ambos afiliados ao SISSA em Trieste, Itália –escreveu em seu novo artigo. "E, mais importante, nesta descrição alternativa, a gravidade não aparece explicitamente. Em outras palavras, o princípio holográfico nos permite descrever a gravidade usando uma linguagem que não contém gravidade, evitando assim o atrito com a mecânica quântica".

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Prolongar / Diagrama da chamada correspondência AdS / CFT (o princípio holográfico) na física teórica.

APS / Alan Stonebraker

O debate sobre o paradoxo da informação sobre o buraco negro continua e, enquanto isso, Benini e Milão, entre outros, voltaram sua atenção para produzir uma explicação completa e explícita das propriedades termodinâmicas de um buraco negro. E o princípio holográfico provou ser um truque matemático útil para tornar seus cálculos mais tratáveis, pelo menos no caso de certos tipos teóricos de buracos negros.

A entropia conta o número de maneiras pelas quais você pode reorganizar as coisas, mas em um buraco negro não está claro o que realmente está sendo reorganizado. Bernini e Milão estão sugerindo que a resposta vem da holografia: podemos calcular a entropia, não olhando para dentro do buraco negro real, mas olhando para campos quânticos na teoria dual que não tem gravidade. Pelo menos em um determinado contexto específico; será interessante ver se essa abordagem pode ser estendida a buracos negros mais gerais.

"Dessa maneira, propriedades termodinâmicas misteriosas (dos buracos negros) tornaram-se mais compreensíveis: concentrando-se em prever que esses corpos têm uma grande entropia e observá-los em termos de mecânica quântica, você pode descrevê-los como um holograma", escreveram os autores . "Eles têm duas dimensões, nas quais a gravidade desaparece, mas reproduzem um objeto em três dimensões".

Por que isso Importa? "O resultado define esses buracos negros como modelos de brinquedos ideais para a realização de experimentos mentais que abordam questões sutis da gravidade quântica", Leopoldo Pando Zayas, da Universidade de Michigan. escreveu em um comentário que o acompanha.

Observando a gravidade quântica?

Benini e Milan reconhecem que este é realmente apenas um passo inicial na direção certa em direção a um entendimento mais profundo dos buracos negros na esperança de resolver o conflito entre a relatividade geral e a mecânica quântica com uma teoria viável da gravidade quântica. A detecção inovadora de ondas gravitacionais pelo LIGO em 2016 e a extraordinária imagem de um buraco negro produzido pelo Event Horizon Telescope ano passado são desenvolvimentos esperançosos adicionais.

"Num futuro próximo, poderemos testar nossas previsões teóricas sobre a gravidade quântica por observação", concluíram. "E isso, do ponto de vista científico, seria algo absolutamente excepcional".

Quanto ao que virá a seguir, "Uma continuação natural do trabalho seria passar de aspectos matemáticos da contagem de estados para questões mais profundas da dinâmica dos buracos negros", Pando Zayas escrevi. "Se a nova abordagem microscópica puder fornecer uma derivação explícita e explícita da taxa de radiação Hawking, ela responderá a uma das principais perguntas da dinâmica dos buracos negros e possivelmente fornecerá a resolução final do paradoxo da informação".

DOI: Revisão Física X, 2020. 10.1103 / PhysRevX.10.021037 (Sobre os DOIs)

Fonte: Ars Technica