La complementariedad de los agujeros negros es una solución conjeturada a la paradoja de la información de los agujeros negros , propuesta por Leonard Susskind , Larus Thorlacius, [1] y Gerard 't Hooft . [2] [3]
Desde que Stephen Hawking sugirió que la información se pierde en un agujero negro que se evapora una vez que pasa por el horizonte de sucesos y es inevitablemente destruida en la singularidad , y que esto puede convertir estados cuánticos puros en estados mixtos , algunos físicos se han preguntado si una teoría completa de la cuántica la gravedad podría conservar información con una evolución temporal unitaria . Pero, ¿cómo puede ser esto posible si la información no puede escapar del horizonte de sucesos sin viajar más rápido que la luz? Esto parece descartar que la radiación de Hawking sea la portadora de la información faltante. También parece como si la información no pudiera "reflejarse" en el horizonte de sucesos, ya que no hay nada especial en el horizonte a nivel local.
Leonard Susskind [4] propuso una solución radical a este problema al afirmar que la información se refleja en el horizonte de sucesos y pasa a través del horizonte de sucesos y no puede escapar, con el problema de que ningún observador puede confirmar ambas historias simultáneamente. Según un observador externo, la dilatación infinita del tiempo en el horizonte mismo hace que parezca que se necesita una cantidad infinita de tiempo para alcanzar el horizonte. También postuló un horizonte estirado , que es una membrana que flota alrededor de una longitud de Planck fuera del horizonte de sucesos y que es a la vez física y caliente. Según el observador externo, la información que cae calienta el horizonte extendido, que luego lo reirradia como radiación de Hawking, siendo toda la evolución unitaria. Sin embargo, según un observador que cae, no sucede nada especial en el horizonte de eventos en sí, y tanto el observador como la información llegarán a la singularidad. Esto no quiere decir que haya dos copias de la información por ahí, una en el horizonte o justo fuera de él, y la otra dentro del agujero negro, ya que eso violaría el teorema de no clonación . En cambio, un observador sólo puede detectar la información en el propio horizonte, o en el interior, pero nunca en ambos simultáneamente. La complementariedad es una característica de la mecánica cuántica de observables no conmutantes, y Susskind propuso que ambas historias son complementarias en el sentido cuántico, que no hay contradicción, lo que tampoco significa violación de la linealidad en la mecánica cuántica.
Un observador entrante verá el punto de entrada de la información como localizado en el horizonte de sucesos, mientras que un observador externo notará que la información se distribuye uniformemente a lo largo de todo el horizonte extendido antes de volver a irradiarse, y percibirá el horizonte de sucesos como un membrana dinámica. Para un observador inmerso, la información y la entropía atraviesan el horizonte sin que suceda nada de interés. Para un observador externo, la información y la entropía se absorben en el horizonte extendido que actúa como un fluido disipador con entropía, viscosidad y conductividad eléctrica. Consulte el paradigma de la membrana para obtener más detalles. El horizonte alargado conduce cargas superficiales que se extienden rápidamente de forma logarítmica sobre el horizonte.
Se ha sugerido que la complementariedad de los agujeros negros combinada con la monogamia del entrelazamiento implica la existencia de un " cortafuegos " AMPS, [5] donde fotones de alta energía y longitud de onda corta están presentes en el horizonte, aunque esta hipótesis aún se está desarrollando.
Para comprender el origen de la entropía de Bekenstein-Hawking, la referencia [6] propone una formulación cuantitativa de la complementariedad de los agujeros negros, que establece que tanto la descripción del estado microscópico de los agujeros negros del observador externo en posición fija como del observador interno en movimiento conjunto son igualmente correctas. y completo. Sin embargo, la hibridación de los dos provocará errores. En los agujeros negros físicos, es decir, aquellos que se forman a través del colapso gravitacional, los observadores externos en posición fija verán núcleos de materia colapsando continuamente pero nunca contrayéndose a un tamaño menor que el tamaño del horizonte y causando singularidad en el punto central porque el dominio de tiempo que utilizan no cubre el rango. de que tales eventos ocurran. Mientras tanto, los observadores en movimiento conjunto en el interior verán núcleos de materia que oscilan periódicamente porque el principio de equivalencia implica que el colapso de la materia a través del horizonte y el cruce del punto central instantáneamente singular es igualmente fácil y trivial.
Una descripción estadística o de conjunto para los observadores externos de posición fija se vuelve necesaria si estos dan información sobre el estado inicial de las estrellas en colapso, creyendo que el colapso conducirá a una geometría final con un horizonte completamente realizado. La ergodicidad de las oscilaciones de los observadores en movimiento conjunto interior alrededor del centro del sistema se vuelve inevitable debido a la complejidad de las interacciones entre las diferentes partes de la estrella en colapso. El conjunto de estados iniciales de los observadores externos en posición fija y las oscilaciones ergódicas de los observadores internos en movimiento conjunto forman una complementariedad cuantitativa para el estado microscópico de los agujeros negros físicos. Las referencias [6] y [7] demuestran que la cuantificación de cualquiera de estas dos descripciones produce las fórmulas de ley de área correctas para la entropía de Bekenstein-Hawking.
Según esta complementariedad, el estado microscópico de los agujeros negros con singularidad a priori como los descritos por la métrica de Schwarzschild será único y no experimentarán radiación de Hawking porque se necesita un tiempo infinitamente largo para que las partículas resultantes de la producción de pares de vacío caigan. el horizonte y golpear a los compañeros de aniquilación dentro de él. [6] Sin embargo, para los agujeros negros con estructuras internas dotadas de esta complementariedad, la materia se distribuye en una región ligeramente mayor que el tamaño del horizonte, en lugar de acumularse en un punto central. Entonces, las partículas que caen hacia el horizonte encontrarán compañeros de aniquilación a medida que se acerquen lo suficiente al horizonte. El requisito de que las partículas entrantes de todas las partículas de Hawking salientes realmente detectadas se aniquilen con partículas dentro de la región de la materia dentro del tiempo permitido por el principio de incertidumbre acoplará las partículas de Hawking con el cambio de estado microscópico de los agujeros negros. Esto implica que la radiación ambulante se produce a través de mecanismos de radiación espontánea inducida por la gravedad [8] u otros similares.