Paradoks Lubang Hitam Mendekati Akhir

[wongdusun]

Dalam serangkaian makalah, fisikawan teoretis telah mendekati penyelesaian paradoks informasi lubang hitam yang telah membingungkan mereka selama hampir 50 tahun. Informasi, mereka sekarang berkata dengan percaya diri, tidak lolos dari lubang hitam. Jika Anda melompat ke salah satunya, Anda tidak akan pergi selamanya. Partikel demi partikel, informasi yang dibutuhkan untuk menyusun kembali tubuh Anda akan muncul kembali. Kebanyakan fisikawan telah lama berasumsi bahwa itu akan terjadi; itulah hasil dari teori string, kandidat utama mereka untuk teori terpadu. Tetapi kalkulasi baru, meskipun terinspirasi oleh teori string, berdiri sendiri, tanpa ada string yang terlihat. Informasi keluar melalui cara kerja gravitasi itu sendiri - hanya gravitasi biasa dengan satu lapisan efek kuantum.

Ini adalah peran khusus pembalikan gravitasi. Menurut teori relativitas umum Einstein, gravitasi lubang hitam begitu kuat sehingga tidak ada yang bisa menghindarinya. Pemahaman yang lebih canggih tentang lubang hitam yang dikembangkan oleh Stephen Hawking dan rekan-rekannya pada tahun 1970-an tidak mempertanyakan prinsip ini. Hawking dan yang lainnya berusaha mendeskripsikan materi di dalam dan sekitar lubang hitam menggunakan teori kuantum, tetapi mereka terus mendeskripsikan gravitasi menggunakan teori klasik Einstein - pendekatan hibrid yang oleh fisikawan disebut "semiklasik". Meskipun pendekatan tersebut memperkirakan efek baru di sekeliling lubang, bagian dalamnya tetap tertutup rapat. Fisikawan memperkirakan bahwa Hawking telah membuat perhitungan semiklasik. Kemajuan lebih lanjut harus memperlakukan gravitasi, juga, sebagai kuantum.

Itulah yang disengketakan oleh para penulis studi yang lebih baru. Mereka telah menemukan efek semiklasik tambahan - konfigurasi gravitasi baru yang diizinkan oleh teori Einstein, tetapi Hawking tidak memasukkannya. Seperti dibungkam pada awalnya, efek ini akan mendominasi ketika lubang hitam sangat tua. Lubang itu berubah dari seperti kerajaan pertapa yang super ketat menjadi sistem yang sangat terbuka. Tidak hanya informasi yang tumpah, semua hal baru yang muncul dimuntahkan dengan segera. Teori semiklasik yang direvisi belum menjelaskan bagaimana tepatnya informasi itu keluar, tetapi demikianlah kecepatan penemuan dalam dua tahun terakhir sehingga para ahli teori sudah memiliki petunjuk tentang mekanisme kemunculan informasi.

Anda mungkin mengharapkan para penulis untuk kemudian merayakannya, tetapi mereka mengatakan bahwa mereka juga merasa kecewa. Seandainya kalkulasi melibatkan fitur-fitur mendalam dari gravitasi kuantum sejak awal, itu mungkin akan lebih sulit untuk dilakukan pada awalnya, tetapi setelah itu dilakukan, itu akan membuka dan menerangi misteri kedalaman tersebut. Jadi mereka khawatir mereka mungkin telah menyelesaikan masalah yang satu ini tanpa mencapai solusi yang lebih luas yang mereka cari. "Harapannya adalah, jika kita bisa menjawab pertanyaan ini - jika kita bisa melihat informasi yang keluar - untuk melakukan itu kita harus belajar tentang teori mikroskopis," kata Geoff Penington dari University of California, Berkeley, menyinggung ke teori gravitasi kuantum sepenuhnya.

Semua itu diperdebatkan secara intens dalam sesi Zoom dan webinar. Karya ini sangat matematis dan memiliki kerumitan tinggi, merangkai satu demi satu trik kalkulasi dengan cara yang sulit ditafsirkan. Lubang cacing, prinsip holografik, ruang-waktu yang muncul, keterjeratan kuantum, komputer kuantum: Hampir setiap konsep dalam fisika fundamental saat ini muncul, membuat subjek memikat sekaligus membingungkan.

Dan tidak semua orang yakin. Beberapa masih berpikir bahwa Hawking benar dan teori string atau fisika novel lainnya harus ikut bermain jika informasi ingin keluar. "Saya sangat menolak orang yang datang dan berkata, 'Saya punya solusi hanya dalam mekanika kuantum dan gravitasi,'" kata Nick Warner dari University of Southern California. "Karena sebelumnya kita telah berputar-putar."

Tetapi hampir semua orang tampaknya setuju pada satu hal. Dalam beberapa hal atau lainnya, ruang-waktu itu sendiri tampaknya berantakan di lubang hitam, menyiratkan bahwa ruang-waktu bukanlah tingkat akar realitas, tetapi struktur yang muncul dari sesuatu yang lebih dalam. Meskipun Einstein memahami gravitasi sebagai geometri ruang-waktu, teorinya juga mensyaratkan pembubaran ruang-waktu, yang pada akhirnya menjadi alasan mengapa informasi dapat lolos dari penjara gravitasinya.

[wongdusun]

Kurva Menjadi Kuncinya

Pada tahun 1992, Don Page dan keluarganya menghabiskan liburan Natal mereka dengan duduk di rumah di Pasadena, menikmati kolam renang dan menonton Parade Mawar. Page, seorang fisikawan di University of Alberta di Kanada, juga menggunakan jeda ini untuk memikirkan bagaimana sebenarnya lubang hitam yang paradoks. Studi pertamanya tentang lubang hitam, ketika dia menjadi mahasiswa pascasarjana di tahun 70-an, adalah kunci pada ide Stephen Hawking bahwa lubang hitam memancarkan radiasi - hasil dari proses kuantum acak di tepi lubang. Sederhananya, lubang hitam membusuk dari luar ke dalam.

Partikel yang ditumpahkannya tampaknya tidak membawa informasi tentang isi interior. Jika astronot seberat 100 kilogram jatuh, lubang itu bertambah besar dengan massa 100 kilogram. Namun ketika lubang tersebut memancarkan radiasi yang setara dengan 100 kilogram, radiasi itu sama sekali tidak terstruktur. Tidak ada tentang radiasi yang mengungkapkan apakah itu berasal dari astronot atau segumpal timah.

Itu menjadi masalah karena, pada titik tertentu, lubang hitam memancarkan massa terakhirnya dan berhenti. Yang tersisa hanyalah awan partikel amorf besar yang bergerak di sana-sini secara acak. Tidak mungkin untuk memulihkan apa pun yang jatuh. Hal itu membuat pembentukan dan penguapan lubang hitam sebagai proses yang tidak dapat diubah, yang tampaknya melanggar hukum mekanika kuantum.

Hawking dan sebagian besar ahli teori lainnya pada saat itu menerima kesimpulan itu - jika sifat tak dapat diubah/ireversibilitas melanggar hukum fisika seperti yang mereka pahami, semakin buruk hukum itu. Tapi Page merasa gelisah, karena ireversibilitas akan melanggar kesimetrisan dasar waktu. Pada tahun 1980 dia memutuskan hubungan dengan mantan penasihatnya dan berpendapat bahwa lubang hitam harus melepaskan atau setidaknya menyimpan informasi. Itu menyebabkan perpecahan di antara fisikawan. "Kebanyakan relativis umum yang saya ajak bicara setuju dengan Hawking," kata Page. Tapi fisikawan partikel cenderung setuju dengan saya.

Saat liburan di Pasadena, Page menyadari bahwa kedua kelompok telah melewatkan satu poin penting. Teka-teki itu bukan hanya apa yang terjadi di akhir kehidupan lubang hitam, tetapi juga apa yang menuntunnya.

Dia mempertimbangkan aspek proses yang relativitas abaikan: keterjeratan kuantum/Quantum Entanglement. Radiasi yang dipancarkan mempertahankan hubungan mekanis kuantum ke tempat asalnya. Jika Anda mengukur radiasi atau lubang hitamnya sendiri, ini terlihat acak, tetapi jika Anda mempertimbangkannya bersama-sama, mereka menunjukkan sebuah pola. Ini seperti mengenkripsi data Anda dengan sandi. Data tanpa kata sandi adalah omong kosong. Kata sandi, jika Anda telah memilih yang bagus, tidak ada artinya juga. Tapi bersama-sama mereka membuka informasi. Mungkin, pikir Page, informasi bisa keluar dari lubang hitam dalam bentuk terenkripsi yang serupa.

Page menghitung apa arti untuk jumlah total keterjeratan antara lubang hitam dan radiasi, sebuah kuantitas yang dikenal sebagai entropi keterjeratan. Pada awal seluruh proses, entropi belitan adalah nol, karena lubang hitam belum memancarkan radiasi apa pun untuk dijerat. Di akhir proses, jika informasi dipertahankan, entropi keterjeratan harus nol lagi, karena tidak ada lagi lubang hitam. "Saya penasaran bagaimana entropi radiasi akan berubah di antaranya," kata Page.

Awalnya, saat radiasi bertahap keluar, entropi belitan tumbuh. Page beralasan bahwa tren ini harus berbalik. Entropi harus berhenti naik dan mulai turun jika ingin mencapai nol pada titik akhir. Seiring waktu, entropi belitan harus mengikuti kurva yang berbentuk seperti V. terbalik

Page menghitung bahwa pembalikan ini harus terjadi kira-kira di tengah proses, pada saat yang sekarang dikenal sebagai waktu Page. Ini jauh lebih awal dari asumsi fisikawan. Lubang hitam masih sangat besar pada saat itu - tentu saja tidak mendekati ukuran subatom di mana efek eksotis yang diduga akan muncul. Hukum fisika yang diketahui masih harus diterapkan. Dan tidak ada dalam hukum itu yang membengkokkan kurva.

Dengan itu, masalahnya menjadi jauh lebih ruwet. Fisikawan selalu membayangkan bahwa teori gravitasi quantum berperan hanya dalam situasi yang begitu ekstrim sehingga terdengar konyol, seperti bintang yang runtuh hingga radius proton. Sekarang Page memberi tahu mereka bahwa gravitasi kuantum penting dalam kondisi yang, dalam beberapa kasus, sebanding dengan yang ada di sekitar Anda.

Analisis Page membenarkan menyebut masalah informasi lubang hitam sebagai paradoks dan bukan sekadar teka-teki. Ini mengekspos konflik dalam pendekatan semiklasik. "Paradoks Waktu Page tampaknya mengarah pada runtuhnya fisika berenergi rendah di tempat yang tidak seharusnya dia runtuh, karena energinya masih rendah," kata David Wallace, seorang filsuf fisika di Universitas Pittsburgh.

Sisi baiknya, klarifikasi Page tentang masalah itu membuka jalan menuju solusi. Dia menetapkan bahwa, jika entropi belitan mengikuti kurva Page, maka informasi akan keluar dari lubang hitam. Dengan melakukan itu, dia mengubah debat menjadi sebuah perhitungan. "Fisikawan tidak selalu pandai berkata-kata," kata Andrew Strominger dari Universitas Harvard. "Kami melakukan yang terbaik dengan persamaan yang tajam."

Sekarang fisikawan hanya perlu menghitung entropi keterjeratan. Jika mereka bisa melakukannya, mereka akan mendapatkan jawaban langsung. Apakah entropi keterjeratan mengikuti V terbalik atau tidak? Jika ya, lubang hitam menyimpan informasi, yang berarti fisikawan partikel benar. Jika tidak, lubang hitam menghancurkan atau menyimpan informasi.

Namun, meskipun Page menjelaskan apa yang harus dilakukan fisikawan, para ahli teori membutuhkan waktu hampir tiga dekade untuk mengetahui caranya.

[wongdusun]

Lubang Hitam Dari Dalam-Keluar

Selama dua tahun terakhir, fisikawan telah menunjukkan bahwa entropi belitan lubang hitam benar-benar mengikuti kurva Page, yang menunjukkan bahwa informasi telah keluar. Mereka melakukan analisis secara bertahap. Pertama, mereka menunjukkan cara kerjanya menggunakan wawasan dari teori string. Kemudian, dalam makalah yang diterbitkan musim gugur lalu, para peneliti memutus teori string sama sekali.

Pekerjaan dimulai dengan sungguh-sungguh pada Oktober 2018, ketika Ahmed Almheiri dari Institute for Advanced Study menyusun prosedur untuk mempelajari bagaimana lubang hitam menguap. Almheiri, segera bergabung dengan beberapa rekan, menerapkan konsep yang pertama kali dikembangkan oleh Juan Maldacena, sekarang di IAS, pada tahun 1997. (Penington bekerja secara paralel.)

Bayangkan alam semesta terbungkus dalam batas seperti bola salju. Selain memiliki dinding besar di sekelilingnya, interiornya pada dasarnya seperti alam semesta kita: memiliki gravitasi, materi, dan sebagainya. Batasannya, juga, adalah sejenis alam semesta. Ia tidak memiliki gravitasi dan, karena hanya permukaan, tidak memiliki kedalaman. Tapi itu dibuat dengan fisika kuantum yang hidup, dan semuanya sama rumitnya dengan interiornya. Meskipun kedua alam semesta ini mungkin terlihat berbeda, keduanya sangat serasi. Segala sesuatu di interior, atau "massal", memiliki padanan di perbatasan. Dan meskipun geometri massal tidak seperti geometri alam semesta kita sendiri, dualitas "AdS / CFT" ini telah menjadi taman bermain favorit para ahli teori string sejak Maldacena memperkenalkannya.

Menurut logika dualitas ini, jika Anda memiliki lubang hitam dalam jumlah besar, ia memiliki simulacrum di perbatasannya. Karena batas diatur oleh fisika kuantum tanpa komplikasi gravitasi, ia dengan tegas mempertahankan informasi. Begitu juga dengan lubang hitam.

Ketika para peneliti mulai menganalisis bagaimana lubang hitam menguap di AdS / CFT, pertama-tama mereka harus mengatasi sedikit masalah: Dalam AdS / CFT, lubang hitam sebenarnya tidak menguap. Radiasi mengisi volume yang terbatas seperti uap di dalam panci bertekanan, dan apa pun yang dipancarkan lubang itu akhirnya diserap kembali. "Sistem akan mencapai kondisi mapan," kata Jorge Varelas da Rocha, fisikawan teoretis di Institut Universitas Lisbon.

Untuk mengatasinya, Almheiri dan rekan-rekannya mengadopsi saran dari Rocha untuk meletakkan analogi ekuivalen katup uap di perbatasan untuk mengeluarkan radiasi dan mencegahnya jatuh kembali. "Ini menyedot radiasi keluar," kata Netta Engelhardt dari Institut Teknologi Massachusetts, salah satu rekan penulis Almheiri. Para peneliti mensimulasikan lubang hitam di tengah ruang besar, mulai mengeluarkan radiasi, dan mengamati apa yang terjadi.

Untuk melacak entropi belitan lubang hitam, mereka menggunakan pemahaman yang lebih terperinci tentang AdS / CFT yang dikembangkan Engelhardt dan lainnya, termasuk Aron Wall di Universitas Cambridge, dalam dekade terakhir. Fisikawan sekarang dapat menunjukkan dengan tepat bagian manakah yang sesuai dengan bagian batas mana, dan properti kumpulan mana yang sesuai dengan properti batas mana.

Kunci untuk menghubungkan dua sisi dualitas adalah apa yang oleh fisikawan disebut permukaan ekstremal kuantum. (Permukaan ini adalah fitur umum - Anda tidak memerlukan lubang hitam untuk memilikinya.) Pada dasarnya Anda membayangkan meniup gelembung sabun secara massal. Gelembung secara alami mengambil bentuk yang meminimalkan luas permukaannya. Bentuknya tidak perlu bulat, seperti gelembung di pesta ulang tahun anak, karena aturan geometri bisa berbeda dari yang kita kenal; jadi gelembung adalah probe dari geometri itu. Efek kuantum juga bisa melebarkannya.

Dengan menghitung di mana letak permukaan ekstrem kuantum, peneliti memperoleh dua informasi penting. Pertama, permukaan mengukirnya menjadi dua bagian dan mencocokkan masing-masing dengan sebagian dari batas. Kedua, luas permukaan sebanding dengan bagian entropi belitan antara dua bagian batas tersebut. Dengan demikian, permukaan ekstremal kuantum menghubungkan konsep (luas) geometris dengan konsep kuantum (belitan), memberikan gambaran sekilas tentang bagaimana gravitasi dan teori kuantum bisa menjadi satu.

Tetapi ketika para peneliti menggunakan permukaan ekstremal kuantum ini untuk mempelajari lubang hitam yang menguap, hal yang aneh terjadi. Di awal proses penguapan, mereka menemukan, seperti yang diharapkan, bahwa entropi belitan batas meningkat. Karena lubang adalah satu-satunya benda di dalam ruang, penulis menyimpulkan bahwa entropi keterjeratannya meningkat. Dalam hal kalkulasi awal Hawking, sejauh ini bagus.

Tiba-tiba hal itu berubah. Permukaan ekstremal kuantum tiba-tiba terwujud tepat di dalam cakrawala lubang hitam. Awalnya permukaan ini tidak berpengaruh pada sistem lainnya. Tapi akhirnya itu menjadi faktor penentu entropi, yang mengarah ke penurunan. Para peneliti membandingkannya dengan transisi seperti mendidih atau membeku. "Kami menganggap ini sebagai perubahan fase analog dengan fase termodinamika - antara gas dan cairan," kata Engelhardt.

Itu berarti tiga hal. Pertama, pergeseran tiba-tiba menandakan dimulainya ilmu fisika baru yang tidak tercakup dalam perhitungan Hawking. Kedua, permukaan ekstremal membelah alam semesta menjadi dua. Satu bagian setara dengan batas. Yang lainnya adalah alam lubang hitam yang batasnya tidak memiliki informasi, menunjukkan bahwa radiasi yang keluar dari sistem berpengaruh pada konten informasinya.

Ketiga, posisi permukaan ekstrimal kuantum sangat signifikan. Itu terletak tepat di dalam cakrawala lubang hitam. Saat lubang menyusut, begitu pula permukaan ekstremal kuantum dan, bersamanya, entropi keterjeratan. Itu akan menghasilkan kemiringan ke bawah seperti yang diprediksikan Page - pertama kali perhitungan melakukan itu.

Dengan menunjukkan bahwa entropi keterjeratan mengikuti kurva Page, tim dapat mengonfirmasi bahwa lubang hitam melepaskan informasi. Ini keluar dalam bentuk yang sangat terenkripsi yang dimungkinkan oleh keterjeratan kuantum. Faktanya, itu sangat terenkripsi sehingga tidak terlihat seolah-olah lubang hitam telah mengeluarkan apa pun. Namun akhirnya lubang hitam melewati titik kritis di mana informasi dapat didekripsi. Penelitian, yang diposting pada Mei 2019, menunjukkan semua ini menggunakan alat teoretis baru yang mengukur keterjeratan secara geometris.

Bahkan dengan alat ini, kalkulasi harus disederhanakan sampai pada intinya agar dapat dilakukan. Sebagian besar jagad AdS / CFT ini hanya memiliki satu dimensi ruang, misalnya. Lubang hitam bukanlah bola hitam besar, melainkan ruas garis pendek. Namun, para peneliti berpendapat, gravitasi adalah gravitasi, dan apa yang terjadi pada dunia garis ini seharusnya berlaku untuk alam semesta yang sebenarnya. (Pada April 2020, Koji Hashimoto, Norihiro Iizuka dan Yoshinori Matsuo dari Universitas Osaka menganalisis lubang hitam dalam geometri datar yang lebih realistis dan memastikan bahwa temuan tersebut masih berlaku.)

Pada Agustus 2019, Almheiri dan rekan lainnya mengambil langkah berikutnya dan mengalihkan perhatian mereka ke radiasi. Mereka menemukan bahwa lubang hitam dan radiasi yang dipancarkannya mengikuti kurva Page yang sama, sehingga informasi harus ditransfer dari satu ke yang lain. Perhitungannya tidak menyebutkan bagaimana itu ditransfer, hanya itu saja.

Sebagai bagian dari pekerjaan, mereka menemukan bahwa alam semesta mengalami penataan ulang yang membingungkan. Pada awalnya, lubang hitam berada di pusat angkasa dan radiasinya terbang keluar. Tapi setelah cukup waktu berlalu, persamaan mengatakan, partikel jauh di dalam lubang hitam bukan lagi bagian dari lubang, tetapi bagian dari radiasi. Mereka belum terbang ke luar, tetapi hanya bertukar fungsi.

Ini penting karena partikel interior ini biasanya akan berkontribusi pada entropi belitan antara lubang hitam dan radiasi. Jika mereka bukan lagi bagian dari lubang hitam, mereka tidak lagi berkontribusi pada entropi, menjelaskan mengapa itu mulai berkurang.

Para penulis menjuluki inti dalam radiasi sebagai "pulau" dan menyebut keberadaannya "mengejutkan". Apa artinya partikel berada di lubang hitam, tetapi tidak di lubang hitam? Untuk memastikan bahwa informasi dipertahankan, fisikawan menghilangkan satu teka-teki hanya untuk membuat teka-teki yang lebih besar. Setiap kali saya bertanya kepada Almheiri dan yang lainnya apa artinya, mereka melihat ke kejauhan, sejenak kehilangan kata-kata.

[wongdusun]

Masuk ke Lubang Cacing

Sejauh ini kalkulasi mengasumsikan dualitas AdS / CFT - dunia bola salju - yang merupakan kasus uji penting tetapi pada akhirnya seakan seperti hal yang dibuat-buat. Langkah selanjutnya adalah mempertimbangkan lubang hitam secara lebih umum.

Para peneliti mengambil konsep yang dikembangkan Richard Feynman pada 1940-an. Dikenal sebagai integral jalur, ini adalah ekspresi matematis dari prinsip inti mekanika kuantum: Apa pun yang dapat terjadi memang terjadi. Dalam fisika kuantum, sebuah partikel yang bergerak dari titik A ke titik B mengambil semua jalur yang memungkinkan, yang digabungkan dalam jumlah tertimbang. Jalur berbobot tertinggi biasanya adalah jalur yang Anda harapkan dari fisika klasik biasa, tetapi tidak selalu. Jika bobot berubah, partikel dapat tiba-tiba meluncur dari satu jalur ke jalur lainnya, mengalami transisi yang mustahil dalam fisika kuno.

Integral jalur bekerja sangat baik untuk gerakan partikel sehingga para ahli teori di tahun 50-an mengusulkannya sebagai teori gravitasi quantum. Itu berarti mengganti satu geometri ruang-waktu dengan beberapa bentuk yang mungkin. Bagi kami, ruang-waktu tampaknya memiliki satu bentuk yang terdefinisi dengan baik - di dekat Bumi, bentuknya cukup melengkung sehingga objek cenderung mengorbit di pusat planet kita, misalnya. Namun dalam gravitasi kuantum, bentuk lain, termasuk yang lebih melengkung, bersifat laten, dan dapat muncul dalam keadaan yang tepat. Feynman sendiri mengambil ide ini di tahun 60-an, dan Hawking memperjuangkannya di tahun 70-an dan 80-an. Tetapi bahkan kejeniusan mereka yang cukup besar berjuang dengan bagaimana mengeksekusi integral jalur gravitasi, dan fisikawan mengesampingkannya demi pendekatan lain untuk gravitasi kuantum. "Kami tidak pernah benar-benar tahu bagaimana mendefinisikan dengan tepat apa itu - dan coba tebak, kami masih belum tahu," kata John Preskill dari California Institute of Technology.

Sebagai permulaan, apakah "semua" bentuk yang dimungkinkan? Bagi Hawking, itu berarti semua topologi. Ruang-waktu mungkin menyatu dengan sendirinya menjadi bentuk seperti doughnut atau pretzel. Konektivitas ekstra menciptakan terowongan, atau "lubang cacing", antara tempat dan momen yang berjauhan. Ini datang dalam berbagai jenis.

Lubang cacing spasial seperti portal kesayangan para penulis fiksi ilmiah, yang menghubungkan satu sistem bintang dengan yang lain. Yang disebut lubang cacing ruang-waktu adalah alam semesta kecil yang tumbuh sendirinya dan menyatu kembali nanti. Para astronom tidak pernah melihat kedua jenis tersebut, tetapi relativitas umum mengizinkan struktur ini, dan teori tersebut memiliki rekam jejak yang baik dalam membuat prediksi yang tampaknya aneh, seperti lubang hitam dan gelombang gravitasi, yang kemudian terbukti benar. Tidak semua orang setuju dengan Hawking bahwa bentuk-bentuk eksotis ini, tetapi para peneliti yang melakukan analisis lubang hitam mengadopsi gagasan itu untuk sementara waktu.

Mereka tidak dapat secara realistis mempertimbangkan semua kemungkinan topologi, yang benar-benar tidak terhitung, jadi mereka hanya melihat topologi yang paling penting untuk lubang hitam yang menguap. Ini dikenal, karena alasan matematis, sebagai titik pelana, dan terlihat seperti geometri yang cukup stabil. Pada akhirnya, tim tidak benar-benar melakukan penjumlahan penuh pada semua bentuk, yang melebihi kemampuan mereka. Mereka menggunakan jalur integral sebagian besar hanya sebagai alat untuk mengidentifikasi titik-titik sadel.

Langkah selanjutnya, setelah menerapkan integral jalur ke lubang hitam dan radiasinya, adalah menghitung entropi belitan. Kuantitas ini didefinisikan sebagai logaritma matriks - deretan angka. Perhitungannya sulit, tetapi dalam kasus ini fisikawan tidak benar-benar memiliki matriks, yang akan memerlukan evaluasi integral jalur. Jadi mereka harus melakukan operasi yang tidak dapat mereka lakukan pada kuantitas yang tidak mereka ketahui. Untuk itu, mereka menemukan trik matematika lainnya.

Mereka melihat bahwa entropi tidak membutuhkan pengetahuan tentang matriks lengkap. Mereka malah bisa membayangkan melakukan serangkaian pengukuran berulang pada lubang hitam dan kemudian menggabungkan pengukuran tersebut dengan cara yang dapat mempertahankan pengetahuan yang mereka butuhkan. Trik replika yang ini pernah dilakukan pada studi magnet di tahun 70-an dan pertama kali diterapkan pada gravitasi pada tahun 2013.

Salah satu penulis karya ini, Tom Hartman dari Cornell University, membandingkan trik replika dengan memeriksa apakah "lemparan koin" itu adil. Biasanya Anda akan melemparkannya berkali-kali dan melihat apakah itu mendarat di setiap sisi dengan probabilitas 50-50. Tetapi misalkan karena alasan tertentu Anda tidak dapat melakukan itu. Jadi, alih-alih Anda melempar dua koin yang identik - "replika" - dan perhatikan seberapa sering mereka mendarat di sisi yang sama. Jika ini terjadi separuh waktu, lemparan koin itu adil. Meskipun Anda masih belum mengetahui probabilitas individu, Anda dapat membuat penilaian dasar tentang keacakan. Ini analog dengan tidak mengetahui matriks lengkap untuk lubang hitam, namun masih mengevaluasi entropinya.

Meski ini trik, ia memiliki fisika nyata di dalamnya. Integral jalur gravitasi tidak membedakan replika dari lubang hitam asli. Itu memahami mereka secara harfiah. Ini mengaktifkan beberapa topologi laten yang termasuk dalam integral jalur gravitasi. Hasilnya adalah titik pelana baru yang berisi beberapa lubang hitam yang dihubungkan oleh lubang cacing ruang-waktu. Bersaing untuk mendapatkan pengaruh dengan geometri biasa dari sebuah lubang hitam yang dikelilingi oleh kabut radiasi Hawking.

Lubang cacing dan lubang hitam tunggal pada dasarnya berbobot terbalik dengan berapa banyak entropi keterjeratan yang mereka miliki. Lubang cacing memiliki banyak, jadi mereka menerima pembobotan rendah dan karenanya tidak penting pada awalnya. Tapi entropinya berkurang, sedangkan radiasi Hawking terus naik. Akhirnya lubang cacing menjadi dominan dari keduanya, dan mereka mengambil alih dinamika lubang hitam. Pergeseran dari satu geometri ke geometri lainnya tidak mungkin dalam relativitas umum klasik - ini adalah proses kuantum yang melekat. Konfigurasi geometris ekstra dan proses transisi yang mengaksesnya adalah dua penemuan utama analisis.

Pada November 2019, dua tim fisikawan - yang dikenal sebagai grup West Coast dan East Coast karena afiliasi geografisnya - memposting karya mereka yang menunjukkan bahwa trik ini memungkinkan mereka mereproduksi kurva Page. Dengan cara ini, mereka memastikan bahwa radiasi "roh" menjauhi konten informasi dari apa pun yang jatuh ke dalam lubang hitam. Teori string tidak harus benar; bahkan seorang kritikus teori string yang gigih bisa setuju dengan integral jalur gravitasi. Namun, secanggih analisisnya, ia belum menjelaskan bagaimana informasi tersebut berhasil lolos.

[wongdusun]

Konstruksi Ruang-Waktu

Dengan perhitungan ini, radiasi kaya akan informasi. Entah bagaimana, dengan mengukurnya, Anda seharusnya bisa mempelajari apa yang masuk ke dalam lubang hitam. Tapi bagaimana caranya?

Para ahli teori di kelompok West Coast membayangkan mengirimkan radiasi ke komputer kuantum. Bagaimanapun, simulasi komputer itu sendiri adalah sistem fisik; simulasi kuantum, khususnya, tidak sepenuhnya berbeda dari simulasi. Jadi fisikawan membayangkan mengumpulkan semua radiasi, memasukkannya ke komputer kuantum besar, dan menjalankan simulasi penuh lubang hitam.

Dan itu mengarah pada hal yang diluar dugaan yang luar biasa dalam cerita itu. Karena radiasi sangat terikat dengan lubang hitam asalnya, komputer kuantum, juga, menjadi sangat terikat dengan lubang tersebut. Dalam simulasi, keterjeratan diterjemahkan menjadi tautan geometris antara lubang hitam yang disimulasikan dan aslinya. Sederhananya, keduanya dihubungkan oleh lubang cacing. "Ada lubang hitam fisik dan kemudian ada yang tersimulasi di komputer kuantum, dan mungkin ada lubang cacing replika yang menghubungkannya," kata Douglas Stanford, fisikawan teoretis di Stanford dan anggota tim West Coast. Ide ini adalah contoh proposal oleh Maldacena dan Leonard Susskind dari Stanford pada tahun 2013 bahwa keterjeratan kuantum dapat dianggap sebagai lubang cacing. Lubang cacing, pada gilirannya, menyediakan terowongan rahasia yang informasi melaluinya dan dapat keluar dari interior.

Para ahli teori telah memperdebatkan bagaimana secara harfiah mengambil semua lubang cacing ini. Lubang cacing terkubur begitu dalam dalam persamaan sehingga hubungannya dengan kenyataan tampak lemah, namun memiliki konsekuensi yang nyata. "Sulit untuk menjawab apa yang fisik dan apa yang tidak fisik," kata Raghu Mahajan, fisikawan di Stanford, "karena ada sesuatu yang jelas benar tentang lubang cacing ini."

Tetapi alih-alih menganggap lubang cacing sebagai portal nyata yang ada di alam semesta, Mahajan dan yang lainnya berspekulasi bahwa mereka adalah tanda fisika nonlokal baru. Dengan menghubungkan dua lokasi yang jauh, lubang cacing memungkinkan kejadian di satu tempat untuk mempengaruhi tempat yang jauh secara langsung, tanpa partikel, gaya atau pengaruh lain yang harus melintasi jarak - menjadikannya contoh dari apa yang oleh fisikawan disebut nonlokalitas. "Tampaknya mereka menyarankan Anda memiliki efek nonlokal yang masuk," kata Almheiri. Dalam perhitungan lubang hitam, pulau dan radiasi adalah satu sistem yang terlihat di dua tempat, yang berarti kegagalan konsep "tempat". "Kami selalu tahu bahwa beberapa jenis efek nonlokal harus terlibat dalam gravitasi, dan ini salah satunya," kata Mahajan. "Hal-hal yang Anda anggap independen ternyata tidak benar-benar independen."

Sekilas, ini sangat mengejutkan. Einstein membangun relativitas umum dengan tujuan menghilangkan nonlokalitas dari fisika. Gravitasi tidak menjangkau ruang angkasa secara instan. Ia harus menyebar dari satu tempat ke tempat lain dengan kecepatan terbatas, seperti interaksi lain di alam. Namun selama beberapa dekade, fisikawan telah sadar bahwa kesimetrian yang mendasari relativitas menciptakan jenis baru efek nonlokal.

Februari lalu, Marolf dan Henry Maxfield, juga di Santa Barbara, mempelajari nonlokalitas yang disiratkan oleh perhitungan lubang hitam baru. Mereka menemukan bahwa kesimetrian relativitas memiliki efek yang lebih luas daripada yang diperkirakan, yang dapat memberikan cermin ruang-waktu yang terlihat dalam analisis lubang hitam.

Semua ini memperkuat firasat banyak fisikawan bahwa ruang-waktu bukanlah tingkat akar alam, melainkan muncul dari beberapa mekanisme mendasar yang bukan spasial atau temporal. Bagi banyak orang, itulah pelajaran utama dualitas AdS / CFT. Perhitungan baru mengatakan hal yang hampir sama, tetapi tanpa dualitas atau teori string. Lubang cacing muncul karena mereka adalah satu-satunya bahasa yang dapat digunakan integral jalur untuk menyampaikan bahwa ruang runtuh. Mereka adalah cara geometri untuk mengatakan bahwa alam semesta pada akhirnya adalah nongeometrik.

[wongdusun]

Akhir dari permulaan

Fisikawan yang tidak terlibat dalam penelitian ini, atau bahkan dalam teori string, mengatakan bahwa mereka terkesan, meskipun sangat skeptis. "Angkat topi untuk mereka, karena perhitungan itu sangat tidak sepele," kata Daniele Oriti dari Ludwig Maximilian University of Munich.

Tetapi beberapa merasa tidak nyaman dengan tumpukan idealisasi yang digunakan dalam analisis, seperti pembatasan alam semesta menjadi kurang dari tiga dimensi spasial, Gelombang kegembiraan sebelumnya atas integral path di tahun 80-an, didorong oleh karya Hawking, gagal sebagian karena para ahli teori dibuat bingung oleh akumulasi perkiraan. Apakah fisikawan saat ini jatuh ke dalam perangkap yang sama? "Saya melihat orang-orang membuat argumen yang sama seperti yang dibuat 30 tahun lalu," kata Renate Loll dari Radboud University di Belanda, seorang pakar integral jalur gravitasi. Dia berpendapat bahwa lubang cacing harus secara tegas dilarang jika integral ingin memberikan hasil yang masuk akal.

Orang yang skeptis juga khawatir bahwa penulis telah menafsirkan trik replika secara berlebihan. Dalam anggapan bahwa replika dapat dihubungkan secara gravitasi, penulis melampaui batasan. "Mereka mendalilkan bahwa semua geometri yang menghubungkan replika berbeda diperbolehkan, tetapi tidak jelas bagaimana hal itu cocok dengan kerangka aturan kuantum," kata Steve Giddings dari Santa Barbara.

Mengingat ketidakpastian perhitungan, beberapa tidak yakin bahwa solusi tersedia dalam teori semiklasik. "Tidak ada pilihan yang baik jika Anda membatasi pada mekanika kuantum dan gravitasi," kata Warner. Dia telah memperjuangkan model di mana efek string mencegah pembentukan lubang hitam. Tetapi hasilnya secara umum serupa: Ruang-waktu mengalami transisi fase ke struktur yang sangat berbeda.

Skeptisisme dijamin jika tidak ada alasan lain selain karena pekerjaan baru-baru ini rumit dan mentah. Butuh waktu bagi fisikawan untuk mencernanya dan menemukan kesalahan fatal dalam argumen atau menjadi yakin bahwa argumen itu berhasil. Lagipula, bahkan fisikawan di balik upaya tersebut tidak berharap untuk menyelesaikan paradoks informasi tanpa teori gravitasi quantum penuh. Memang, mereka mengira paradoks adalah titik tumpu mereka untuk mengungkap teori yang lebih rinci itu. "Jika Anda bertanya kepada saya dua tahun lalu, saya akan berkata: 'Kurva Page - itu masih sangat jauh,'" kata Engelhardt. "Kita akan membutuhkan semacam pemahaman [lebih dalam] tentang gravitasi kuantum. '"

Tetapi dengan asumsi bahwa kalkulasi baru ini dapat bertahan terhadap pengecekan kesalahan, apakah mereka sebenarnya menutup pintu paradoks informasi lubang hitam? Karya terbaru menunjukkan dengan tepat bagaimana menghitung kurva Page, yang pada gilirannya mengungkapkan bahwa informasi keluar dari lubang hitam. Jadi tampaknya paradoks informasi telah diatasi. Teori lubang hitam tidak lagi mengandung kontradiksi logis yang menjadikannya paradoks.

Tetapi dalam hal memahami lubang hitam, ini bagian paling akhir dari permulaan. Para ahli teori masih belum memetakan proses langkah demi langkah saat informasi keluar. "Kami sekarang dapat menghitung kurva Page, dan saya tidak tahu mengapa," kata Raphael Bousso dari Berkeley. Kepada astronot yang bertanya apakah mereka bisa keluar dari lubang hitam, fisikawan bisa menjawab, "Tentu!" Tetapi jika para astronot bertanya bagaimana melakukannya, jawaban yang meresahkan adalah: "Tidak tahu."