Scientists work on the boundaries of the unknown, where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty. And nothing is more uncertain– or potentially enlightening– than a paradox. Throughout history, paradoxes have threatened to undermine everything we know, and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world. Today, one of the biggest paradoxes in the universe threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics: the black hole information paradox.
Gli scienziati lavorano sui confini dell'ignoto, dove ogni nuova conoscenza crea un cammino in un vuoto d'incertezza. E nulla è più incerto, o potenzialmente illuminante, di un paradosso. Nel corso della storia i paradossi hanno minacciato tutto ciò che sappiamo, e molto spesso hanno ridisegnato la nostra concezione del mondo. Oggi uno dei più grandi paradossi dell'universo minaccia di distruggere la relatività e la meccanica quantistica: il paradosso dell'informazione del buco nero.
To understand this paradox, we first need to define what we mean by "information." Typically, the information we talk about is visible to the naked eye. For example, this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny. But physicists are more concerned with quantum information. This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple, such as their position, velocity and spin. Every object in the universe is composed of particles with unique quantum properties.
Per capire questo paradosso, dobbiamo prima definire cosa intendiamo con "informazione". Di solito, l'informazione di cui parliamo è visibile a occhio nudo. Per esempio, questo tipo d'informazione ci dice che le mele sono rosse, rotonde e lucide. Ma i fisici sono più interessati all'informazione quantistica, ovvero le proprietà quantistiche di ogni particella di cui è fatta la mela, come posizione, velocità e rotazione. Tutti gli oggetti dell'universo sono fatti da particelle con proprietà quantistiche uniche.
This idea is evoked most significantly in a vital law of physics: the total amount of quantum information in the Universe must be conserved. Even if you destroy an object beyond recognition, its quantum information is never permanently deleted. And theoretically, knowledge of that information would allow us to recreate the object from its particle components. Conservation of information isn’t just an arbitrary rule, but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built. But around black holes, those foundations get shaken.
Quest'idea è ripresa in modo significativo in un'essenziale legge della fisica: la quantità totale d'informazione quantistica dell'universo si conserva. Anche se distruggi un oggetto fino a non poterlo più riconoscere, la sua informazione quantistica non viene mai cancellata in modo permanente. E teoricamente la conoscenza di quella informazione ci permetterebbe di ricreare l'oggetto a partire dalle sue particelle. La conservazione dell'informazione non è soltanto una regola arbitraria, ma una necessità matematica, su cui poggia gran parte della scienza moderna. Ma quando si parla di buchi neri, queste fondamenta vacillano.
When an apple enters a black hole, it seems as though it leaves the universe, and all its quantum information becomes irretrievably lost. However, this doesn’t immediately break the laws of physics. The information is out of sight, but it might still exist within the black hole’s mysterious void. Alternatively, some theories suggest that information doesn’t even make it inside the black hole at all. Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon. As the black hole’s mass increases, the surface of the event horizon increases as well. So it’s possible that as a black hole swallows an object, it also grows large enough to conserve the object’s quantum information. But whether information is conserved inside the black hole or on its surface, the laws of physics remain intact– until you account for Hawking Radiation.
Quando una mela entra in un buco nero, è come se lasciasse l'universo e tutta la sua informazione quantistica fosse irrimediabilmente perduta. In ogni caso, questa cosa non infrange immediatamente le regole della fisica. L'informazione non è visibile, ma potrebbe ancora esistere all'interno del misterioso vuoto del buco nero. In alternativa, alcune teorie suggeriscono che l'informazione non arriva affatto all'interno del buco nero. Visto da fuori, è come se l'informazione quantistica della mela sia codificata sulla superficie del buco nero, chiamata "orizzonte degli eventi". Al crescere della massa del buco nero, cresce anche la superficie dell'orizzonte degli eventi. Quindi, può darsi che quando un buco nero inghiotte un oggetto, esso cresca a sufficienza da conservare l'informazione quantistica dell'oggetto. Ma sia che l'informazione sia conservata nel buco nero che sulla sua superficie, le leggi della fisica rimangono intatte,
Discovered by Stephen Hawking in 1974, this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating. Over incredibly long periods of time black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons. Critically, it seems as though the evaporating particles are unrelated to the information the black hole encodes– suggesting that a black hole and all the quantum information it contains could be completely erased.
finché non si prende in considerazione la Radiazione di Hawking. Scoperto da Stephen Hawking nel 1974, questo fenomeno dimostra che i buchi neri stanno lentamente evaporando. Su lunghissimi periodi di tempo i buchi neri perdono massa respingendo particelle dall'orizzonte degli eventi. Soprattutto, sembrerebbe che le particelle che evaporano non siano correlate all'informazione che il buco nero codifica, quindi il buco nero e tutta l'informazione quantistica che contiene potrebbero svanire completamente.
Does that quantum information truly disappear? If not, where does it go? While the evaporation process would take an incredibly long time, the questions it raises for physics are far more urgent. The destruction of information would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms. But fortunately, in science, every paradox is an opportunity for new discoveries.
Ma questa informazione quantistica scompare davvero? E se non scompare, dove finisce? Il processo di evaporazione richiederebbe tantissimo tempo, ma le domande che solleva per la fisica sono ben più pressanti. La distruzione dell'informazione ci costringerebbe a riscrivere alcuni dei paradigmi scientifici fondamentali. Ma per fortuna, nella scienza, ogni paradosso è un'opportunità per fare nuove scoperte.
Researchers are investigating a broad range of possible solutions to the Information Paradox. Some have theorized that information actually is encoded in the escaping radiation, in some way we can’t yet understand. Others have suggested the paradox is just a misunderstanding of how general relativity and quantum field theory interact. Respectively, these two theories describe the largest and smallest physical phenomena, and they’re notoriously difficult to combine. Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes will come naturally with a “unified theory of everything.” But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox is the holographic principle. Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon can store quantum information, this principle suggests that the very boundary of the observable universe is also a 2D surface encoded with information about real, 3D objects. If this is true, it’s possible that reality as we know it is just a holographic projection of that information.
I ricercatori stanno studiando un ampio spettro di possibili soluzioni al Paradosso dell'Informazione. Alcuni hanno teorizzato che l'informazione sia codificata in realtà nella radiazione uscente, in un modo che non riusciamo ancora a capire. Altri ritengono che il paradosso derivi da un errore nella comprensione di come la teoria quantistica dei campi e quella della relatività interagiscono. Rispettivamente, queste due teorie descrivono i fenomeni fisici più grandi e più piccoli, e sono notoriamente difficili da combinare. Alcuni ricercatori sostengono che la soluzione a questi paradossi arriverà spontaneamente con una "Teoria del tutto" unificata. Ma forse la teoria più sconvolgente che emerge esplorando questo paradosso è il principio olografico. Basandosi sull'idea che la superficie bidimensionale dell'orizzonte degli eventi conservi informazione quantistica, questo principio suggerisce che il limite estremo dell'universo osservabile è anch'esso una superficie bidimensionale codificata con quest'informazione su veri oggetti a tre dimensioni. Se fosse vero, è possibile che la realtà che conosciamo sia solo una proiezione olografica di quell'informazione.
If proven, any of these theories would open up new questions to explore, while still preserving our current models of the universe. But it’s also possible that those models are wrong! Either way, this paradox has already helped us take another step into the unknown.
Se dimostrate, ciascuna di queste teorie aprirebbe nuovi quesiti da esplorare, pur mantenedo gli attuali modelli dell'universo. Ma può anche essere che questi modelli siano sbagliati! A ogni modo, questo paradosso ci ha già aiutato a fare un altro passo nell'ignoto.