Radiación de Hawking y la reversibilidad

Question

Se dice a menudo que, mientras la información que se cayó en un agujero negro sale finalmente en la radiación de Hawking (por cualquier medio), estados puros permanecer puro en lugar de la evolución en los estados mixtos, y "el universo es seguro para la mecánica cuántica." Pero eso no puede ser toda la historia! Para la mecánica cuántica reversibilidad no simplemente decir que la información debe finalmente ser recuperables, después de 10⁷⁰ años o lo que sea; pero también que, si U es admisible la transformación de un sistema físico, entonces U^-1 es también admisible de transformación.

Así que, como debe ser compatible con las reversible microlaws de humo y ceniza de forma espontánea volver a montar en un libro, que también debe ser coherente para un agujero negro de forma espontánea "desplegar" en una estrella, o en cualquiera que sea la configuración de la materia ordinaria podría haber colapsó para formar el agujero negro en el primer lugar. Y esta "blanca-agujero desplegar proceso" debe ser posible en exactamente la misma cantidad de tiempo como el black-hole proceso de colapso, en lugar de un astronómicamente más tiempo (como ocurre con la radiación de Hawking).

En ambos casos, la explicación de por qué nunca vemos estos procesos deben ser de la termodinámica, es decir, asegurarse de que está permitido, pero que implican una loca disminución de la entropía que son exponencialmente suprimida. Yo entiendo eso. Pero todavía estoy confundido acerca de algo, y aquí está mi mejor intento de cristalizar mi confusión:

Con el fin de explicar cómo se podría incluso ser posible de información para salir de un agujero negro, los físicos suelen apelar a la radiación de Hawking, que proporciona un mecanismo basado en más o menos se entiende la teoría cuántica de campos en la curva el espacio-tiempo. (Concedido, QFT también predice que la radiación debe térmica! Pero a causa de AdS/CFT y así sucesivamente, hoy en día la gente parece bastante seguro de que la información, después de colgar cerca del horizonte de sucesos, es arrastrada por la radiación de Hawking en algunos que todavía no se ha entendido.) Sin embargo, supongamos que es objetado que una radiación de Hawking proceso parece nada como el tiempo inverso de un ordinario black-hole proceso de formación. Entonces la única respuesta que yo sabía que sería a lo largo de las líneas de, "bueno, ¿crees que QM va a sobrevivir inalterada en un futuro teoría cuántica de la gravedad, o no? Si no, considere la posibilidad de la central unitaria de U correspondiente a un negro agujero proceso de formación, y de invertir para obtener U^-1!" Mi pregunta es: ¿por qué no la gente ha hecho que la misma sencillo argumento, incluso antes de que ellos sabían nada acerca de la radiación de Hawking? (O ¿ que hacer?) Más en general, incluso si la radiación de Hawking hace llevar la información que se desploma, que todavía parece estar muy lejos de lo que implica completo de la mecánica cuántica a la reversibilidad. Así que, ¿cuánto de la existencia de la radiación de Hawking realmente tiene que ver con el caso de la compatibilidad entre la mecánica cuántica y los agujeros negros?

Answer 1

Como usted dijo, el caso de los agujeros negros es conceptualmente totalmente análoga a la quema de libros. En principio, el proceso es reversible, pero la probabilidad de que el CPT-conjugado proceso (más exacta simetría de tiempo de reversión) es diferente a la original, porque $$ \frac{Prob(A\to B)}{Prob(B^{CPT}\to A^{CPT})} \approx \exp(S_B-S_A ).$$ Esto es cierto porque las probabilidades de evolución entre conjuntos se obtiene sumando más de los estados finales, pero un promedio de más de estados iniciales. El promedio difiere de la suma por el factor adicional de $1/N = \exp(-S)$, y es por eso que la exponencial de la entropía diferencia se cuantifica el pasado-futuro de la asimetría de la evolución.

A nivel cualitativo, un agujero blanco es exactamente como imposible en la práctica como un carbón ardiente de repente reorganizar en un libro en particular. Cuantitativamente hablando, es más imposible debido a que el descenso de la entropía sería mucho mayor: los agujeros negros tienen el mayor entropía entre todos localizada o sujetos objetos de la misma masa total.

Sin embargo, la radiación de Hawking no es localizada o enlazados, y en realidad tiene un mayor entropía por un factor significativo que el agujero negro a partir de la cual se evapora. Lo que se necesita y es cierto, porque incluso el proceso de evaporación de Hawking está de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.

En el nivel de la clásica teoría general de la relatividad, nada nos impide el dibujo de un agujero blanco el espacio-tiempo. De hecho, el espacio-tiempo en un eterno agujero negro ya está perfectamente el tiempo de reversión-simétrica. Estamos todavía en su mayoría llamar a un agujero negro, pero es un "agujero blanco" en el mismo momento. Tales soluciones no corresponden a la realidad en la que los agujeros negros siempre vienen de una menor entropía inicial del estado porque el estado inicial del Universo no podía tener ninguna agujeros negros.

Así que el verdadero problema son los realistas diagramas para una estrella colapsa en un agujero negro que luego se evapora. Un diagrama de este tipo es claramente el tiempo de reversión-asimétrica. La entropía aumenta durante el colapso de la estrella, así como en la radiación de Hawking. Usted puede voltear el diagrama boca abajo y obtendrá una imagen que resuelve las ecuaciones de la relatividad general. Sin embargo, es fuertemente violar la segunda ley de la termodinámica.

Cualquier consistentes clásica o la teoría cuántica explica y garantías de la termodinámica de los fenómenos y leyes microscópicamente, por ejemplo, de la física estadística aplicada a su fase de espacio o el espacio de Hilbert. Eso es cierto para la quema de libros, pero eso es cierto para las teorías que contienen agujeros negros, también. Así que si uno tiene un consistente microscópico de la teoría cuántica para este proceso, pero el mismo comentario que sirva para una teoría clásica: su pregunta en realidad tiene nada que ver con la mecánica cuántica de por sí – entonces esta teoría se debe predecir que la invertida en los procesos de que la disminución de la entropía son exponencialmente raro. Cada vez que hay un modelo específico bien definido microstates y microscópico T o de la simetría CPT, es fácil demostrar que la ecuación empecé.

Una auténtica teoría microscópica realmente establece que la invertida procesos (aquellos que disminuyen la entropía total) son posibles, pero es muy raro. Un clásico de la teoría de macroscópica de la materia, sin embargo "los promedios a lo largo de muchos átomos". Para sólidos, líquidos y gases, esto se manifiesta por el tiempo de reversión-asimétrica en términos de la efectiva ecuaciones de difusión, la difusión del calor, la fricción, la viscosidad, todas estas cosas que retrasar las cosas, el calor, y la transferencia de calor desde el más cálido de los cuerpos a las más frías.

La transferencia de calor desde el más cálido de los cuerpos a las más frías puede ocurrir ya sea por "contacto directo", que realmente se ve clásica, pero también puede proceder a través de la radiación de cuerpos negros – que es un quantum proceso y se puede encontrar en la primera semiclásica las correcciones de la física clásica. La radiación de Hawking es un ejemplo de la "transferencia de calor de calientes a las más frías de los cuerpos", también. El agujero negro tiene un valor distinto de cero de temperatura por lo que irradia energía hacia el espacio vacío, cuya temperatura es de cero. De nuevo, no "realista" que se producen en el opuesto orden cronológico debido a la disminución de la entropía y la nevera objetos espontáneamente transferencia de calor a una temperatura normal.

En una aproximación macroscópica eficaz de la teoría que incorpora la microscópico de los fenómenos estadísticos colectivamente, tanto como la fricción en términos de la mecánica, los tiempo de reversión-violando los términos que aparecen explícitamente: son reemplazos/resultados de algunas física estadística cálculos. En el exacto microscópico de la teoría, sin embargo, no hay tiempo explícito de reversión de ruptura de los términos. Y, de hecho, de acuerdo a full microscópico de la teoría – por ejemplo, una coherente teoría de la gravedad cuántica – la entropía-la reducción de los procesos no están estrictamente prohibidos, que sólo puede ser calculado de forma exponencial raro.

La probabilidad de que podemos arreglar el estado inicial del agujero negro, de modo que se convertirá en una estrella con una determinada forma y la composición es extremadamente pequeña. Es difícil describir el estado del agujero negro microstates explícitamente, pero incluso en los escenarios donde sabemos que ellos en principio, y es prácticamente imposible de localizar el agujero negro microstates que han evolucionado a partir de un reciente estrella (o se convertirá en una estrella de pronto, que es el mismo problema matemático). Su $U^{-1}$ transformación, sin duda, existe en una coherente teoría de la gravedad cuántica, por ejemplo, en AdS/CFT – pero si desea que el estado final $U^{-1}|initial\rangle$ a tener una menor entropía que la inicial, usted debe cuidadosamente cherry-pick y la inicial de uno y de manera exponencial poco probable que usted será capaz de preparar un estado inicial, si es preparación experimental o teórica. Para "realista preparable" estados iniciales, el final de los estados tienen una mayor entropía. Esto es cierto en todas partes en la física y no tiene nada específico en el contexto de la gravedad cuántica, con los agujeros negros.

Permítanme decir también que el "agujero blanco" microstates existen, pero son la misma cosa como el "agujero negro microstates". La razón por la que estos microstates casi siempre se comportan como los agujeros negros y no blancos agujeros es la segunda ley de la termodinámica, una vez más: es muy poco probable que puedan evolucionar a una menor entropía de estado (al menos si hemos de esperar que esta entropía caída inminente: dentro de un tiempo suficiente, la recurrencia de Poincaré tiempo, tal cosa puede ocurrir en algún punto). Eso es cierto para la quema de libros, también. Un "agujero blanco" es análogo a un "quemado libro que conspiran sus vibraciones atómicas y reorganizar en una agradable y sano libro nuevo". Pero macroscópicamente, "libros esperando a ser revivido", no se diferencian de otros montones de cenizas; que la reclamación análoga a la afirmación de que no hay ninguna diferencia visible entre el agujero negro y blanco agujero microstates, y debido a su "muy probablemente" el futuro de la evolución, toda la clase debe ser mejor llamado "agujero negro microstates" y no "agujero blanco microstates" incluso el microstates que va a caer en la entropía pronto representan una pequeña fracción de este conjunto.

Mi principal línea de golpe es que en el ámbito general de la reversibilidad, nunca ha habido ninguna diferencia cualitativa entre los agujeros negros y otros objetos que están sujetos a la termodinámica y, que es, nunca ha sido (y no hay) cualquier incompatibilidad entre los principios generales de la mecánica cuántica, la reversibilidad microscópica y macroscópica de la irreversibilidad, si los agujeros negros están presentes o no. La única "nueva" característica de los agujeros negros, que provocó la décadas de esfuerzos y debates fue la relación de causalidad. Mientras que la quema de un libro todavía puede transferir la información en ambos sentidos, el material en el interior del agujero negro no debería ser capaz de transferir la información acerca de sí mismo hasta el infinito, porque es equivalente a superluminal señales de prohibido en la relatividad. Sin embargo, hoy sabemos que las leyes de la causalidad no son tan estrictos en la presencia de los agujeros negros y la información se pierde, por lo que las características cualitativas de una estrella en colapso y la evaporación del agujero negro, literalmente, el mismo que en un libro que se imprime por la difusión de la tinta y luego se quema.

Answer 2

Hay dos equivalentes descripciones para el mismo proceso en términos de tiempo de avance de la versión, y el tiempo invertido versión. Externamente, ambos tienen el mismo; algo de materia en estado puro se derrumba juntos en un estado denso — gravitatoria del agujero y poco a poco, con el tiempo, se evapora la radiación de Hawking hasta que no queda nada de ella. La totalidad de la radiación de Hawking sigue siendo pura.

En el momento en que versión, la materia se colapsa en un agujero negro con un futuro singularidad, y termina allí. Enredados Hawking se producen los pares justo fuera del horizonte. Una partícula de cada par cae en el agujero de los éxitos y de la singularidad. Selección posterior a una enredada estado de la que se desploma radiación de Hawking y de la materia que se desploma se impone en el futuro de la singularidad. El saliente Hawking partículas poseen información acerca de la materia que se desploma después de la selección posterior. Antes de la selección posterior, queda enredado con el que se desploma radiación de Hawking.

En la versión invertida, un agujero blanco con un pasado en el que la singularidad de las formas con un agujero blanco horizonte. La materia solo puede surgir desde el agujero blanco, no entrar en ella, y toda la materia emergiendo desde el interior fue creado en el pasado de la singularidad. Asunto sólo fuera el agujero blanco es todavía atraído por la gravedad, pero sólo se acumula justo fuera del horizonte, incapaz de penetrar en ella. Asunto emergentes de los últimos agujero blanco singularidad y cruzando el horizonte, pero sin la suficiente velocidad de escape para salir del agujero blanco tirar también se acumula justo fuera del horizonte. La concha de la acumulación de la materia justo fuera del horizonte rápidamente forma un agujero negro shell con un futuro singularidad. Este es el tiempo invertido firewall, que es muy real en el tiempo-versión invertida. Selección posterior se produce en este shell. Toda la materia emergentes de los últimos agujero blanco singularidad en el mismo lugar, están enredados el uno con el otro. Después de la selección posterior, la materia emergentes desde el agujero blanco singularidad que tiene suficiente velocidad de escape lleva información acerca de la materia que se desploma, el cual se acumula en el shell justo fuera del agujero blanco horizonte, porque inicialmente se había enredado con otra cuestión que choca con la materia que se desploma en el shell, y son postselected juntos en una enredada estado.

Lejos del horizonte fuera del agujero, tanto el tiempo de avance y el tiempo invertido versiones tienen el mismo aspecto después de sus respectivas postselections. Sin embargo, en el horizonte y en el interior del agujero, se ven muy diferentes. Este es el "tiempo de reversión de la complementariedad"! El tiempo invertido versión de un tiempo-versión es una versión invertida, y viceversa. Sin embargo, operativamente, la única información que se puede tener acerca de estas regiones son las que se llevan por la física concreta la información que surge desde el agujero y grabado fuera de ella. Operativamente, uno nunca puede decir la diferencia.

Hay un firewall justo fuera del horizonte? En el tiempo de avance de la imagen, no. En el momento de la inversa de la imagen, sí. Fuera del agujero, se puede decir la diferencia. Seguro, podemos enviar una sonda para medir la presencia/ausencia de un firewall, y haz el resultado fuera. Entonces, los observadores externos verá una señal diciendo "yo soy de la sonda, y no veo ningún firewall". Sin embargo, en el momento de la inversa de la imagen, hay un firewall shell, y la sonda se thermalized allí. Después de la selección posterior, las vigas señal de que los observadores externos recoger originó a partir de los últimos agujero blanco singularidad propia, la que se dirige directamente a los observadores externos. Antes de la selección posterior, la radiación de los últimos singularidad no tiene esa información, pero después de la selección posterior, lo hace. Este proceso se ve conspirativa, pero luego, el tiempo invertido imagen funciona mejor cuando la entropía es decreciente, es decir, invierte la flecha termodinámica del tiempo, que no es el caso aquí. Con una inversión de tiempo de flecha, tales conspiraciones son la norma.

Véase también la cuestión de por Qué son blancas agujeros de la misma cosa, como agujeros negros en la gravedad cuántica? y ¿cuáles son cosmológico "firewalls"?.

Answer 3

Pensar en el Reeh-Schlieder teorema para un vacío. Se dice que el vacío es un enredado estado, incluso entre espacialmente las distintas regiones. Al actuar sobre un local de la región aquí en la Tierra por un operador local que está adecuadamente ajustado, usted puede crear cualquier configuración de la materia detrás de la luna. Para un vacío que es, pero no estamos viviendo en un vacío...

De todos modos, un agujero negro está lleno de enredados radiación de Hawking, que no es exactamente un vacío. Pero el mismo principio se aplica. Por una juiciosa elección de operador que actúa sobre la que se desploma radiación de Hawking en la singularidad, puede formar una arbitraria configuración de la materia para la salida de radiación de Hawking. La trampa es que el operador que actúe en la singularidad de cada una no debe ser unitario.