Black holes don’t erase information, scientists say

The “information loss paradox” in black holes — a problem that has plagued physics for nearly 40 years — may not exist

University of Buffalo / Charlotte Hsu / Release Date: April 2, 2015

University of Buffalo official logoAn artist’s impression shows the surroundings of a supermassive black hole at the heart of the active galaxy NGC 3783 in the southern constellation of Centaurus. A new University at Buffalo study finds that information is not lost once it has entered a black hole. Credit: ESO/M. KornmesserAn artist’s impression shows the surroundings of a supermassive black hole at the heart of the active galaxy NGC 3783 in the southern constellation of Centaurus. A new University at Buffalo study finds that information is not lost once it has entered a black hole. Credit: ESO/M. Kornmesser

Information isn’t lost once it enters a black hole. It doesn’t just disappear

_Dejan Stojkovic, associate professor of physics, University at Buffalo

Μπορείτε να ανακτήσετε τα δεδομένα σας από ένα έγγραφο το οποίο έχετε προηγουμένως τοποθετήσει σε καταστροφέα εγγράφων, ή ακόμη έστω και θεωρητικά, αν το έχετε κάψει, αλλά αν αυτά απορροφηθούν από μια μαύρη τρύπα, πρόκειται να χαθούν για πάντα.

Αυτό που επί σειρά ετών υποστηρίζουν οι επιστήμονες είναι ότι οι μαύρες τρύπες αποτελούν κρύπτη υψίστης ασφαλείας για πληροφορίες που εισέρχονται σε αυτές, οι οποίες στην συνέχεια εξατμίζονται χωρίς να αφήνουν πίσω οποιοδήποτε ίχνος του παρελθόντος τους. Ωστόσο, νέα δεδομένα καταδεικνύουν ότι η προοπτική αυτή ενδέχεται να είναι λανθασμένη.

«Σύμφωνα με την μελέτη μας, οι πληροφορίες δεν χάνονται όταν εισέρχονται σε μαύρη τρύπαλέει ο Dejan Stojkovic, PhD, αναπληρωτής καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Buffalo. «Δεν εξαφανίζονται έτσι απλά«

Η νέα μελέτη του κ. Stojkovic Radiation from a Collapsing Object is Manifestly Unitary στην οποία συμμετείχε ο κ. Anshul Saini, διδακτορικός σπουδαστής του Πανεπιστημίου Buffalo,  παρουσιάστηκε στις 17 Μαρτίου στο Physical Review Letters και περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων που εκπέμπονται από μια μαύρη τρύπα, μπορούν να αποκαλύψουν πληροφορίες προερχόμενες από την διέλευσή τους, σχετικές με το αρχικό της αίτιο – την ύλη που την δημιούργησε, καθώς και με χαρακτηριστικά της ύλης και της ενέργειας που απορροφήθηκαν.

Η σπουδαιότητα της ανακάλυψης, λέει ο Stojkovic, έγκειται στο ότι ακόμη και οι φυσικοί οι οποίοι τάσσονταν υπερ της άποψης ότι οι πληροφορίες δεν χάνονται, δυσκολεύονταν πολύ να αποδείξουν μαθηματικά το πως μπορεί να συμβαίνει κάτι τέτοιο. Η νέα μελέτη παρέχει σαφείς υπολογισμούς με τους οποίους αποδεικνύεται το πως οι πληροφορίες διασώζονται.

Η έρευνα αυτή σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση του »παραδόξου της απώλειας των πληροφοριών«, ένα πρόβλημα που απασχολεί τη φυσική για σχεδόν 40 χρόνια, από τότε που ο Stephen Hawking πρότεινε για πρώτη φορά ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να εκπέμψουν ενέργεια και να εξατμιστούν με το πέρασμα του χρόνου. Αυτό έθετε ένα τεράστιο ζήτημα για την φυσική, καθώς σήμαινε ότι οι πληροφορίες μέσα σε μια μαύρη τρύπα θα μπορούσαν να χαθούν οριστικά με την εξαφάνισή της, κάτι που συνιστά παραβίαση των αρχών της κβαντομηχανικής, βάσει των οποίων αξιώνεται η διατήρησή τους.

Δεδομένα που κρύβουν οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων

Το 1970, ο Hawking πρότεινε ότι οι μαύρες τρύπες ήταν ικανές να εκπέμψουν σωματίδια και ότι η ενέργεια που θα έχαναν με αυτόν τον τρόπο θα προκαλούσε τη σταδιακή συρρίκνωση και την τελική εξάτμισή τους. Επιπλέον, συμπέραινε ότι τα εκπεμπόμενα σωματίδια δεν θα ήταν σε θέση να μας δώσουν πληροφορίες για το εσωτερικό της, αναφερόμενος στην ολοκληρωτική τους απώλεια ως επακόλουθο της εξαφάνισης του φορέα τους (της μαύρης τρύπας).

Αν και αργότερα ο ίδιος υποστήριξε ότι είχε κάνει λάθος και οι πληροφορίες θα μπορούσαν να αποδράσουν από τα δεσμά μιας μαύρης τρύπας, το ζήτημα του αν και πως θα ήταν δυνατόν αυτές να ανακτηθούν, παρέμεινε ανοικτό. Η έρευνα των Stojkovic και Saini, βοηθά στο να ξεκαθαρίσει το τοπίο. Αντί να επικεντρώνεται στα εκπεμπόμενα σωματίδια, η μελέτη στρέφει το ενδιαφέρον της και στον ακριβή υπολογισμό των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων. Ως εκ τούτου αποκαλύπτεται η δυνατότητα ενός εξωτερικού παρατηρητή να πληροφορηθεί για τα τεκταινόμενα εντός μιας μαύρης τρύπας.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων μπορεί να κυμαίνονται από την βαρυτική έλξη έως την ανταλλαγή μεσολαβητών, όπως τα φωτόνια μεταξύ των σωματιδίων. Τέτοιοι «συσχετισμοί» είναι από καιρό γνωστό ότι υπάρχουν, αλλά πολλοί επιστήμονες στο παρελθόν τους είχαν απορρίψει ως ήσσονος σημασίας αλληλεπιδράσεις.

»Εξαιτίας του μεγέθους και των μικρών διαφορών που μπορούσαν να προκαλέσουν, οι συσχετισμοί αυτοί παρέμεναν συχνά στην αφάνεια, υποστηρίζει ο Stojkovic. Με τους ακριβείς υπολογισμούς μας, αν και οι αλληλεπιδράσεις εμφανίζονται αρχικά πολύ αδύναμες, με τον χρόνο ενδυναμώνονται αρκετά ώστε να επιφέρουν μετρήσιμη διαφορά κατά την έκβασή τους»


BUFFALO, N.Y. – Shred a document, and you can piece it back together. Burn a book, and you could theoretically do the same. But send information into a black hole, and it’s lost forever.

That’s what some physicists have argued for years: That black holes are the ultimate vaults, entities that suck in information and then evaporate without leaving behind any clues as to what they once contained. But new research shows that this perspective may not be correct. “According to our work, information isn’t lost once it enters a black hole,” says Dejan Stojkovic, PhD, associate professor of physics at the University at Buffalo.

“It doesn’t just disappear.” Stojkovic’s new study, “Radiation from a Collapsing Object is Manifestly Unitary,” appeared on March 17 in Physical Review Letters, with UB PhD student Anshul Saini as co-author. The paper outlines how interactions between particles emitted by a black hole can reveal information about what lies within, such as characteristics of the object that formed the black hole to begin with, and characteristics of the matter and energy drawn inside. This is an important discovery, Stojkovic says, because even physicists who believed information was not lost in black holes have struggled to show, mathematically, how this happens.

His new paper presents explicit calculations demonstrating how information is preserved, he says. The research marks a significant step toward solving the “information loss paradox,” a problem that has plagued physics for almost 40 years, since Stephen Hawking first proposed that black holes could radiate energy and evaporate over time. This posed a huge problem for the field of physics because it meant that information inside a black hole could be permanently lost when the black hole disappeared — a violation of quantum mechanics, which states that information must be conserved. Information hidden in particle interactions

In the 1970s, Hawking proposed that black holes were capable of radiating particles, and that the energy lost through this process would cause the black holes to shrink and eventually disappear. Hawking further concluded that the particles emitted by a black hole would provide no clues about what lay inside, meaning that any information held within a black hole would be completely lost once the entity evaporated. Though Hawking later said he was wrong and that information could escape from black holes, the subject of whether and how it’s possible to recover information from a black hole has remained a topic of debate. Stojkovic and Saini’s new paper helps to clarify the story.

Instead of looking only at the particles a black hole emits, the study also takes into account the subtle interactions between the particles. By doing so, the research finds that it is possible for an observer standing outside of a black hole to recover information about what lies within. Interactions between particles can range from gravitational attraction to the exchange of mediators like photons between particles. Such “correlations” have long been known to exist, but many scientists discounted them as unimportant in the past.

“These correlations were often ignored in related calculations since they were thought to be small and not capable of making a significant difference,” Stojkovic says. “Our explicit calculations show that though the correlations start off very small, they grow in time and become large enough to change the outcome.”

The study was partially funded by the National Science Foundation.


 For more information, links, related articles & topics please visit Buffalo University’s webpage


Research paper

Radiation from a Collapsing Object is Manifestly Unitary

Anshul Saini and Dejan Stojkovic

Phys. Rev. Lett. 114, 111301 – Published 17 March 2015

Abstract

The process of gravitational collapse excites the fields propagating in the background geometry and gives rise to thermal radiation. We demonstrate by explicit calculations that the density matrix corresponding to such radiation actually describes a pure state. While Hawking’s leading order density matrix contains only the diagonal terms, we calculate the off-diagonal correlation terms. These correlations start very small, but then grow in time. The cumulative effect is that the correlations become comparable to the leading order terms and significantly modify the density matrix. While the trace of the Hawking’s density matrix squared goes from unity to zero during the evolution, the trace of the total density matrix squared remains unity at all times and all frequencies. This implies that the process of radiation from a collapsing object is unitary.

Source APS Physical Review Letters

APS physics logo

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s