Πέμπτη, 19 Ιουλίου 2012

Κάτι τρέχει με τους ορίζοντες των μελανών οπών...


Τις τελευταίες μέρες βγήκαν δύο εργασίες στο arXiv, η πρώτη από την ομάδα των Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski και James Sully και η δεύτερη από τον Leonard Susskind, που πραγματεύονται ουσιαστικά το τι συμβαίνει όταν περάσει κανείς τον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας.

Στην κλασική σχετικότητα, ο ορίζοντας γεγονότων δεν είναι κάτι το ιδιαίτερο για έναν παρατηρητή που εκτελεί ελεύθερη πτώση και τον διασχίζει. Αν η ένταση του βαρυτικού πεδίου δεν είναι πολύ μεγάλη στην περιοχή του ορίζοντα, δηλαδή αν δεν υπάρχει πολύ μεγάλη καμπυλότητα και άρα οι παλιρροϊκές δυνάμεις δεν είναι πολύ ισχυρές, τότε ο παρατηρητής τον διασχίζει χωρίς να νοιώσει κάτι το ιδιαίτερο. Μάλιστα, επειδή η καμπυλότητα στην περιοχή του ορίζοντα είναι αντιστρόφως ανάλογη από την μάζα της μελανής οπής, όσο πιο μεγάλη είναι η μαύρη τρύπα, τόσο πιο ανώδυνη είναι η διέλευση του ορίζοντά της.

(* Οι παλιρροϊκές δυνάμεις πάνε ως $$\reverse\opaque F\propto M/R^3$$ και ο ορίζοντας είναι ανάλογος της μάζας $$\reverse\opaque R_s\propto M$$, άρα οι παλιρροϊκές δυνάμεις στον ορίζοντα πάνε σαν $$\reverse\opaque F\propto M^{-2}$$.
Ένας τρόπος να δει τα παραπάνω κανείς είναι ο παρακάτω, στην γενική σχετικότητα επειδή έχουμε την αρχή της ισοδυναμίας, κάθε παρατηρητής που εκτελεί γεωδαισιακή κίνηση μπορεί να θεωρηθεί ότι τοπικά έχει απουσία βαρυτικού πεδίου, δηλαδή μπορεί να φτιάξει ένα τοπικό σύστημα συντεταγμένων το οποίο να είναι επίπεδο και τα πράγματα να ισχύουν ακριβώς όπως στην ειδική σχετικότητα. Φυσικά αυτό το σύστημα δεν μπορεί να είναι όσο εκτεταμένο θέλει κανείς (τόσο στο χώρο όσο και στον χρόνο), αφού από κάποια έκταση και πάνω θα αντιλαμβάνεται αποκλίσεις λόγο της καμπυλότητας του χωροχρόνου. Έτσι, αυτό που θέτει το όριο στην έκταση αυτού του "επίπεδου" συστήματος που μπορεί να φτιάξει ο κάθε παρατηρητής είναι η καμπυλότητα του χωροχρόνου. Αν η καμπυλότητα λοιπόν είναι πολύ μικρή, ένας παρατηρητής αντιλαμβάνεται την γειτονία του ως επίπεδη (απουσία βαρύτητας, αυτό που συμβαίνει και σε έναν αστροναύτη στο διαστημικό σταθμό) και άρα ως "μη ενδιαφέρουσα". Αν αντιθέτως η καμπυλότητα είναι πολύ μεγάλη, τότε ένας εκτεταμένος παρατηρητής θα αντιλαμβάνεται τις σχετικές παλιρροϊκές δυνάμεις που αναφέραμε παραπάνω. *)

Αυτές οι δύο εργασίες λοιπόν, έρχονται να μας πούνε ότι στην περίπτωση που πάρει κανείς υπόψιν του και την κβαντική συμπεριφορά των πεδίων στην περιοχή του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας (φαινόμενα δηλαδή που σχετίζονται με την ακτινοβολία Hawking), τότε η εικόνα αυτή αλλάζει και κάτι δραματικό θα πρέπει να συμβαίνει.

Παρακάτω παραθέτω τα abstracts των εργασιών.

Black Holes: Complementarity or Firewalls?

We argue that the following three statements cannot all be true: (i) Hawking radiation is in a pure state, (ii) the information carried by the radiation is emitted from the region near the horizon, with low energy effective field theory valid beyond some microscopic distance from the horizon, and (iii) the infalling observer encounters nothing unusual at the horizon. Perhaps the most conservative resolution is that the infalling observer burns up at the horizon. Alternatives would seem to require novel dynamics that nevertheless cause notable violations of semiclassical physics at macroscopic distances from the horizon.

Complementarity And Firewalls

Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully, recently reported a remarkable and very surprising phenomenon involving old black holes. The authors argue that after a black hole has radiated more than half its initial entropy, the horizon is replaced by a "firewall" at which infalling observers burn up, in apparent violation of one of the postulates of black hole complementarity. In this note I will give a different interpretation of the firewall phenomenon in which the properties of the horizon are conventional, but the dynamics of the singularity are strongly modified. In this formulation the postulates of complementarity are left intact. But the reader is nevertheless warned: black holes could be more dangerous than you thought.

Τα άρθρα έσπευσαν να τα σχολιάσουν από το Sixty Symbols. Παρακάτω είναι το σχετικό βίντεο όπου περιγράφει την ιδέα που παρουσιάζεται στις εργασίες.



Τις εργασίες δεν έχω προλάβει να τις διαβάσω ακόμα, οπότε δεν έχω κάτι να σχολιάσω, αλλά από τα λίγα που είδα η όλη ιστορία είναι αρκετά intriguing...


Update (28/7): Ανέβηκε χθες μια νέα εργασία που συνεχίζει τη συζήτηση πάνω στο θέμα με τους ορίζοντες. Η εργασία αυτή έχει τίτλο, "Complementarity, not Firewalls", και προτείνει μια εναλλακτική οπτική για το θέμα του αν υπάρχει τελικά ή όχι firewall. Το abstract της εργασίας λέει:
In this note I argue that a strict interpretation of complementarity is possible which evades the need for the "firewalls" recently proposed by Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully to burn up observers falling into black hole horizons. In particular I argue that it is consistent for an infalling observer to fall through an "old" black hole horizon without burning up, without this observer or any other seeing information loss or a violation of low energy effective field theory away from a stretched horizon. The reason that AMPS find the opposite conclusion is because they attempt to use low energy physics to translate between the quantum mechanics of different observers rather than to describe the experiments of only a single observer. The validity of this position is tested by two concrete calculations.


Update (30/7): Σήμερα είχαμε μία ακόμα απάντηση στο άρθρο για τους ορίζοντες. Το νέο άρθρο που ανέβηκε στο arXiv έχει τίτλο, "Complementarity Endures: No Firewall for an Infalling Observer", και το abstract λέει:
We argue that the complementarity picture, as interpreted as a reference frame change represented in quantum gravitational Hilbert space, does not suffer from the "firewall paradox" recently discussed by Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully. A quantum state described by a distant observer evolves unitarily, with the evolution law well approximated by semi-classical field equations in the region away from the (stretched) horizon. And yet, a classical infalling observer does not see a violation of the equivalence principle, and thus a firewall, at the horizon. The resolution of the paradox lies in careful considerations on how a (semi-)classical world arises in unitary quantum mechanics describing the whole universe/multiverse.
Για να δούμε, θα έχουμε και συνέχεια;

Update (19/8): Έχει πλάκα τελικά η ιστορία αυτή. Από το τελευταίο update είχαμε κάποια άρθρα να αποσύρονται και κάποια άλλα να ανεβαίνουν στο arXiv.
Τα άρθρα που ανέβηκαν τελευταία είναι τα:
Comments on black holes I: The possibility of complementarity,
Is Alice burning or fuzzing?, και
Singularities, Firewalls, and Complementarity.
Ενώ ο Daniel Harlow κατέβασε το δικό του και ο Leonard Susskind κατέβασε την αρχική εκδοχή του άρθρου που είχε ανεβάσει και ανέβασε αυτό το τελευταίο...
Κάτι μου λέει ότι δεν έχουμε τελειώσει.

Update (08/9): Ένα ακόμα άρθρο πάνω στο θέμα, από τον Amos Ori αυτή τη φορά,
Firewall or smooth horizon?

Και συνεχίζουμε...


Update (28/9): Ο Sean Carroll έχει ένα σχετικό post στο blog του από τον Joe Polchinski, ο οποίος συζητά το όλο θέμα των Firewalls,

Guest Post: Joe Polchinski on Black Holes, Complementarity, and Firewalls


Update (09/10): Ο Susskind ξαναχτυπά...

The Transfer of Entanglement: The Case for Firewalls

Μια λίστα των μέχρι τώρα δημοσιεύσεων στο arXiv πάνω στο θέμα, μπορεί να βρει κανείς σε αυτό το λινκ.

Δεν υπάρχουν σχόλια: