• Sunday April 21,2019

Der Black Hole-Krieg

Lenny Susskind hat ein neues Buch herausgebracht: The Black Hole War: Mein Kampf mit Stephen Hawking, um die Welt für Quantenmechaniker sicher zu machen . Zuerst war ich erschrocken über den Titel, aber nach weiterer Überlegung ist er ziemlich groß geworden.

Einige von Ihnen kennen Susskind vielleicht als einen berühmten Partikeltheoretiker, einen der frühen Pioniere der Stringtheorie. Andere kennen vielleicht sein vorheriges Buch: Die kosmische Landschaft: Stringtheorie und die Illusion von Intelligent Design . (Andere haben vielleicht noch nie von ihm gehört, obwohl ich mir sicher bin, dass Lenny das nicht hören will.) Ich hatte gemischte Gefühle in Bezug auf das erste Buch; Zum einen hielt ich es für einen Fehler, "Intelligent Design" dort in den Titel zu setzen, selbst wenn es als "Illusion" bezeichnet werden sollte. Als das Wall Street Journal mich bat, es zu überprüfen, war ich etwas zögerlich ; Ich habe großen Respekt vor Susskind als Physiker, aber wenn ich das Buch nicht mochte, müsste ich ehrlich sein. Trotzdem hatte ich noch nie etwas für die WSJ geschrieben, und wie oft bekommt man die Chance, in den Korridoren des Kapitalismus so herumzutollen?

Die gute Nachricht ist, dass mir das Buch sehr gut gefallen hat, wie die Rezension zeigt. Ich drucke das Ding hier nicht neu, da Sie alle gut trainiert sind, wenn Sie auf Links klicken. Aber lassen Sie mich kurz auf Informationen zum Erhalt und Verlust von Informationen eingehen, die das Thema des Buches sind. (Siehe Rückreaktion für ein anderes Konto.)

Es ist alles wirklich Isaac Newtons Schuld, obwohl Leute wie Galileo und Laplace etwas von dem Verdienst verdienen. Die Idee ist einfach: Die Evolution durch die Zeit, wie sie von den Gesetzen der Physik beschrieben wird, ist einfach eine Frage der Neuanordnung einer festen Informationsmenge auf unterschiedliche Weise. Die Informationen selbst werden weder erstellt noch zerstört. Anders ausgedrückt: Um den Zustand der Welt zu bestimmen, sind bestimmte Daten erforderlich, beispielsweise die Positionen und Geschwindigkeiten jedes einzelnen Partikels. Gemäß der klassischen Mechanik können wir aus diesen Daten (der "Information") und den Gesetzen der Physik den genauen Zustand des Universums zu jedem Zeitpunkt in der Zukunft zuverlässig vorhersagen - und die vorherigen Zustände des Universums zu jedem Zeitpunkt im Vergangenheit. Anders gesagt, hier ist Thomasina Coverley in Tom Stoppards Arcadia :

Wenn Sie jedes Atom in seiner Position und Richtung anhalten könnten und Ihr Verstand alle auf diese Weise aufgehobenen Handlungen nachvollziehen könnte, könnten Sie, wenn Sie wirklich gut in der Algebra wären, die Formel für die gesamte Zukunft schreiben. und obwohl niemand so schlau sein kann, es zu tun, muss die Formel so existieren, als ob man könnte.

Dies ist das Uhrwerkuniversum, und es ist alles andere als eine nahe liegende Idee. In der Tat wäre es vor Newton verrückt gewesen. Wenn ein sich bewegendes Objekt in der aristotelischen Mechanik keinem ständigen Impuls ausgesetzt ist, wird es schließlich zur Ruhe kommen. Wenn wir also ein Objekt in Ruhe finden, haben wir keine Möglichkeit zu wissen, ob es sich vor kurzem bewegt hat oder ob es lange Zeit dort gesessen hat; diese Informationen gehen verloren. Viele verschiedene Vergangenheiten könnten zu genau derselben Gegenwart führen; Wenn jedoch Informationen aufbewahrt werden, führt jede mögliche Vergangenheit zu genau einer bestimmten Situation. Die Konservierung von Informationen - die auch als "Determinismus" bezeichnet wird, ist eine grundlegende Grundlage für die moderne Art, wie wir über das Universum denken.

Der Determinismus geriet im frühen 20. Jahrhundert unter Stress, als die Quantenmechanik über die Bühne trat. Leider können wir im QM die Zukunft nicht genau vorhersagen, auch wenn wir den aktuellen Zustand mit beliebiger Genauigkeit kennen. Der Prozess der Messung scheint unkalkulierbar zu sein. Wir können die Wahrscheinlichkeit vorhersagen, eine bestimmte Antwort zu erhalten, aber es besteht immer Unsicherheit, wenn wir versuchen, bestimmte Messungen vorzunehmen. Wenn wir jedoch keine Messung durchführen, werden Informationen in der Quantenmechanik perfekt konserviert: Mit der Schrödinger-Gleichung können wir den zukünftigen Quantenzustand aus der Vergangenheit mit absoluter Genauigkeit vorhersagen. Dies macht viele von uns misstrauisch, dass dieser ganze "Zusammenbruch der Wellenfunktion", der zu einem offensichtlichen Verlust des Determinismus führt, in Wirklichkeit nur eine Illusion oder eine Annäherung an eine vollständigere Dynamik ist - diese Art des Denkens führt Sie direkt zu den vielen Welten Interpretation der Quantenmechanik. (Weitere Informationen dazu finden Sie in meinem Bloggingheads-Dialog mit David Albert am kommenden Samstag.)

Abgesehen von den Messproblemen trifft die Quantenmechanik in jedem Fall die sichere Annahme, dass Informationen erhalten bleiben. Aus diesem Grund war es ein Schock, als Stephen Hawking sagte, schwarze Löcher könnten Informationen zerstören. Hawking hatte natürlich bekanntlich gezeigt, dass Schwarze Löcher Strahlung abgeben, und wenn Sie lange genug warten, werden sie schließlich ganz verschwinden. Nur wenige Leute (die nicht versuchen, mit der Angst vor dem LHC Geld zu verdienen) bezweifeln diese Geschichte. Hawkings Berechnung auf den ersten Blick (und auf den zweiten Blick) impliziert jedoch, dass die austretende Strahlung, in die das Schwarze Loch verdampft, wirklich zufällig ist, und zwar innerhalb des Rahmens eines Schwarzkörperspektrums. Informationen sind scheinbar verloren, mit anderen Worten: Es gibt keinen offensichtlichen Weg, um herauszufinden, was in das Schwarze Loch gelangt ist.

Dies führte zu einer dieser intellektuellen Auseinandersetzungen zwischen "den allgemeinen Relativisten" (die eher mit dem Gedanken um den Verlust von Informationen sympathisch waren) und den "Teilchenphysikern" (die die Standardregeln der Quantenmechanik nur ungern aufgaben, und stellte fest, dass Hawkings Berechnung irgendwie unvollständig sein muss). Im Zentrum der Sache stand die Lokalität - Information kann nicht an zwei Orten gleichzeitig sein, und sie muss von Ort zu Ort nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein. Eine Reihe vernünftig aussehender Argumente hatte festgestellt, dass Informationen in Hawking-Strahlung entweichen müssen, wenn sie sich noch in dem schwarzen Loch befinden, das scheinbar schummelt. Wenn Sie jedoch stark auf diese Idee drängen, müssen Sie zugeben, dass schon die Idee von "Ort" davon ausgeht, dass es etwas gibt, das als "Ort" bezeichnet wird, oder genauer gesagt, dass es eine klassische Raumzeit gibt, in der sich Felder ausbreiten. Das ist eine ziemlich gute Annäherung, aber tief in der Tiefe müssen wir uns schließlich an eine Art Quantengravitation wenden, und es ist wahrscheinlich, dass der Ort nur eine Annäherung ist. Die Sache ist, die meisten waren der Meinung, dass diese Annäherung extrem gut wäre, wenn wir über riesige astrophysikalische Schwarze Löcher sprachen, die enorm größer waren als die Planck-Länge, wo die Quantengravitation eintreten sollte.

Aber anscheinend nicht. Die Quantengravitation ist subtiler als Sie vielleicht denken, zumindest wenn es um Schwarze Löcher geht und die Lokalität auf knifflige Weise zusammenbricht. Susskind selbst spielte eine zentrale Rolle bei der Formulierung zweier für die Geschichte entscheidender Ideen: Black Hole Complementarity und Holographic Principle. Worüber ich vielleicht eines Tages schreibe, aber im Moment wird es spät. Für ein vollständiges Konto kaufen Sie das Buch.

Gegenwärtig hat sich das Gleichgewicht zugunsten der Informationserhaltung stark verändert. Punkt eins für die Teilchenphysiker. Der beste Beweis für ihre Seite (wenn man bedenkt, dass alle "Beweise" in Form theoretischer Argumente und nicht als experimentelle Daten vorliegen) stammt von Maldacenas Entdeckung der Dualität zwischen (bestimmten Arten von) Gravitations- und Nicht-Gravitationstheorien die AdS / CFT-Korrespondenz. Laut Maldacena können wir eine vollkommene Äquivalenz zwischen zwei sehr unterschiedlich aussehenden Theorien haben, eine mit der Schwerkraft und eine ohne. In der Theorie ohne Schwerkraft steht außer Frage, dass Informationen konserviert werden, und daher (das Argument geht weiter) auch bei Schwerkraft erhalten bleiben muss. Nehmen Sie einfach das System, das Ihnen wichtig ist, egal ob es sich um ein verdampfendes schwarzes Loch oder etwas anderes handelt, übersetzen Sie es in die Theorie der Nicht-Gravitation, finden Sie heraus, worauf es sich entwickelt, und übersetzen Sie es ohne Informationsverlust wieder jeder Schritt. Um es kurz zu sagen, wir wissen immer noch nicht wirklich, wie die Informationen herauskommen, aber es gibt ein gutes Argument, das definitiv für bestimmte Arten von schwarzen Löchern gilt, daher scheint es etwas pervers zu sein, daran zu zweifeln, dass wir irgendwann feststellen werden So funktioniert es für alle Arten von Schwarzen Löchern. Kein luftdichtes Argument, aber zumindest kauft es Hawking; Seine Konzessionsrede wurde in einem alten Blog von mir berichtet, vor einigen Jahren.


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