Note on the Pure State of Old Black Holes in Some Models of Asymptotically Flat Quantum Gravity

Zwarte gaten achtervolgen al lang de verbeelding van natuurkundigen, niet alleen vanwege hun angstaanjagende zwaartekracht, maar ook vanwege een diepe tegenstrijdigheid in het hart van hoe het universum werkt. Aan de ene kant staat de algemene relativiteitstheorie, die zwaartekracht beschrijft als de vloeiende kromming van ruimte en tijd. Aan de andere kant staat de kwantummechanica, het regelboek voor de minuscule wereld van atomen en deeltjes, die erop staat dat informatie nooit echt verloren kan gaan. Wanneer een zwart gat vormt en uiteindelijk verdampt, lijken deze twee theorieën met elkaar te botsen. Als een zwart gat materie opslokt en vervolgens verdwijnt, wat gebeurt er dan met de informatie over die materie? Verdwijnt het, waardoor de wetten van de kwantummechanica worden geschonden, of ontsnapt het, misschien op een manier die het gladde weefsel van de ruimtetijd precies aan de rand van het gat vernietigt? Deze rand, bekend als de gebeurtenishorizon, is het toneel geworden van een felle discussie. Sommige natuurkundigen beweren dat de horizon een plek van rust is, waar een waarnemer niets ongewoonss zou voelen. Anderen, geconfronteerd met het informatiepuzzel, hebben een "firewall" voorgesteld—een verzengende muur van energie die alles wat de drempel probeert over te steken, zou verteren. De vraag gaat niet alleen over zwarte gaten; het gaat over de vraag of ons huidige begrip van de werkelijkheid, specifiek het idee dat de ruimte gevuld is met gladde velden van energie, eigenlijk wel correct is.

In een recent artikel werpt de theoretisch natuurkundige Tom Banks een kritische blik op dit probleem door afstand te nemen van de complexe wiskunde van zwarte gaten in gekromde ruimte en ze te onderzoeken door de lens van eenvoudigere, meer fundamentele modellen. Hij onderzoekt twee specifieke kaders waarbij zwaartekracht voortkomt uit het gedrag van kwantumdeeltjes, in plaats van een fundamentele kracht zelf te zijn. Eén model is een variatie op een theorie over snaren in twee dimensies, terwijl de andere afkomstig is van een theorie van elfdimensionale supergravitatie. In beide gevallen beginnen de onderzoekers niet met een zwart gat om het in hun vergelijkingen te passen. In plaats daarvan bouwen ze het zwarte gat vanaf de grond af, gebruikmakend van de instrumenten van de gewone kwantummechanica om een verzameling deeltjes samen te stellen tot een stabiele, hoogenergetische toestand die zich exact gedraagt als een zwart gat. Deze toestanden zijn geen gladde, lege leegtes met een mysterieus oppervlak; het zijn complexe, chaotische gebonden toestanden, vergelijkbaar met een dicht opeengepakte cluster van deeltjes die bij elkaar worden gehouden door hun eigen interacties.

Wanneer Banks deze geconstrueerde zwarte gaten analyseert, stelt hij vast dat de beroemde "firewall"-paradox simpelweg niet bestaat. De verwarring ontstaat omdat natuurkundigen hebben geprobeerd de binnenkant van deze objecten te beschrijven met de taal van kwantumveldentheorie, die ervan uitgaat dat de ruimte gevuld is met gladde, continue velden. In de modellen die Banks bestudeert, is deze aanname onjuist. De deeltjes die het zwarte gat vormen, zijn niet verspreid in een glad veld nabij de horizon; het zijn discrete bestanddelen van één enkel, gigantisch kwantumobject. Terwijl het zwarte gat verdampt, doet het dat niet door deeltjes uit te zenden vanuit een mysterieus oppervlak, maar door langzaam individuele stukjes van zichzelf vrij te geven, vergelijkbaar met een druppel water die verdampt uit een plas. Deze vrijgekomen deeltjes zijn verstrengeld met de resterende cluster, wat betekent dat hun kwantumtoestanden verbonden zijn, maar deze verbinding verandert snel en chaotisch terwijl de cluster evolueert.

Het artikel betoogt dat het idee van een "firewall" een misverstand is, veroorzaakt door het kijken naar het verkeerde soort wiskunde. In deze modellen is er geen plotselinge, gewelddadige breuk in de natuurwetten aan de rand van het zwarte gat. In plaats daarvan is de overgang van het zwarte gat naar de buitenwereld een kwestie van perspectief. Voor een waarnemer in de verte ziet het zwarte gat eruit als een thermisch object dat warmte uitstraalt. Voor de waarnemer binnen het complexe kwantumsysteem is het simpelweg een verzameling deeltjes die interageren in een chaotische dans. De "horizon" is geen fysieke barrière waar de ruimtetijd uiteenvalt; het is slechts een grens waar de beschrijving van het systeem verschuift van een verzameling gebonden deeltjes naar vrij bewegende straling. De verstrengeling tussen de straling en het resterende zwarte gat is echt, maar het is niet het soort statische, oneindige verbinding dat tot paradoxen leidt. Het is een dynamische, vluchtige link die vervaagt naarmate het systeem zijn informatie door elkaar schudt.

Banks concludeert dat het standaardbeeld van een zwart gat, met zijn gladde gebeurtenishorizon en de daarmee gepaard gaande divergenties in energie, een illusie is die wordt gecreëerd door de verkeerde instrumenten op het probleem toe te passen. De modellen die hij bestudeert laten zien dat zwarte gaten simpelweg complexe kwantumtoestanden zijn die toevallig dezelfde grootte, energie en entropie hebben als de zwarke gaten die door Einsteins vergelijkingen worden voorspeld. Ze bezitten geen speciaal, enkelvoudig oppervlak waar de natuurwetten breken. De oplossing voor de informatieparadox is daarom niet het uitvinden van een firewall of een nieuw mechanisme om informatie te redden, maar het accepteren dat de kwantumveldentheorie-beschrijving van de ruimte nabij een zwart gat fundamenteel onjuist is. Het universum heeft geen dramatische, gewelddadige oplossing nodig voor het probleem van zwarte gaten; het vereist simpelweg dat we stoppen met aannemen dat de ruimte glad en continu is op de plaatsen waar we nog nooit in staat zijn geweest om te kijken. Het zwarte gat is geen monster met een geheim, noch is het een puzzel met een verborgen valluik. Het is een complex, evoluerend systeem dat zich precies gedraagt zoals de kwantummechanica vereist, zonder de noodzaak voor enige exotische nieuwe fysica aan zijn rand.