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St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löchern

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St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löchern

Beitrag von Fuzzlix » 29. Jan 2014, 11:05

Bin zufällig darüber gestolpert:
The full paper by Stephen Hawking is at Arxiv - Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes (4 pages)

Interessant finde ich den vorletzten Satz:
That is unitary, but chaotic, so there is effective information loss.
Da haut doch jemand genau in meine Kerbe oder nicht? :)
Also:
a) Information kann entstehen
b) Information kann vergehen
.. wie übrigens alles andere auch.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Skeltek » 29. Jan 2014, 17:41

Ja, so wie ich einen Geldschein verlieren kann. Danach ist er weg.
Chaos ist das nebeneinanderexistieren unterschiedlicher Systeme.
Rühre ich in einem Teich ist das für die Bakterien auch reinstes Chaos, ich durchschaue jedoch diese Kreisbewegung.
Beim Geldschein wechselt die Information nur den Besitzer.

Das propagiere ich bereits seit 20 Jahren, daß gleich mächtige Systeme oder Computer nicht das Verhalten der anderen vorausberechnen können.
Ob Information verlorengeht oder nicht hängt eher von der Definition von "Information" ab.
Wechselt sie lediglich den Besitzer freuen sich halt die Teilchen in der Singularität über neue Gesellschaft ^^

Beispiel: Zwei Personen mit Dechiffriergeräten A und B sehen die Nachricht M, die mit A verschlüssel wurde.
A kann die Information leicht lesen, für B ist sie nicht dekodierbar.
Nun kommt C an und rechiffriert die Information von A zu B.
Nun kann B sie lesen aber für A ist sie nicht mehr dechiffrierbar.

Physikalische Informationsmenge ist davon abhängig, wieviele verschiedene und vor allem welche Arten von Zuständen man differenzieren kann.
Ein Gerät, das die genaue Position jedes Gasteilchens exakt bestimmen kann aber nicht deren Temperatur, verliert sogar gegen ein Fieberthermometer wenn nach der Temperatur gefragt wird.
Andere können dann wieder nur die vektorielle Verteilung der magnetischen Spins erfassen usw...

Mein letzter Wissensstand war eigentlich der, daß Information zum Teil immer noch unterschiedlich definiert wird; solange ist der Begriff "Verlust" von Informationen nicht eindeutig festgelegt.
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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Fuzzlix » 29. Jan 2014, 19:19

Machen wir es doch gar nicht so kompliziert. Fragen wir einfach zuerst, was wir unter Information verstehen. (ich schreibe mit Absicht nicht EINE Information sondern nur: Information)
Nach meiner Ansicht ist Information eine nichtleere Menge an wahren Aussagen.
Nach dieser Definition würde Information (für uns) in einem schwarzen Loch auf Nimmerwiedersehen verschwinden.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von FKM » 29. Jan 2014, 22:43

Der Artikel wurde heute auch zu einem Thema bei Spiegel-Online: Hawking definiert Schwarze Löcher neu

Es gibt dort eine interessanten und offenbar sachverstandigen Kommentar:
sysop in Spiegel Online hat geschrieben:Am mathematischen Ereignishorizont des schwarzen Lochs entstehen durch Vakuumfluktuationen der Quantenelektrodynamik nicht mehr nur virtuelle Teilchenpaare. Eines davon fliegt rein, eines bleibt draußen. Energieerhaltung erzwingt eine Massenabnahme des schwarzen Lochs. Soweit, so altbekannnt. Daher ist das schwarze Loch ja sowieso nicht schwarz, sondern ein Planck-Strahler ("schwarzer Körper") von i.A. extrem niedriger Temperatur. Das Problem ist jedoch die Quantenverschränkung der Teilchenpaare, welche durch das schwarze Loch aufgebrochen werden müssten und zu einem Energieinferno am Ereignishorizont führen müssten. Dies steht im Gegensatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie, daher das Paradoxon. Es geht dabei letztendlich auch um das Problem der Informationserhaltung im Kosmos, welche bei ursprünglicher Kennzeichnung von schwarzen Löchern ja nicht gegeben war. Schöne Zusammenfassung der ganzen Problematik hier: http://www.nature.com/news/astrophysics ... le-1.12726
Mir war der schwarze Firewall völlig neu und das alles eine große Überraschung und Neuigkeit. Bisher dachte ich immer, so wie es in vielen Büchern beschrieben ist, dass ein frei fallender Beobachter am Ereignishorizont eines genügend großen und nicht zu schnell rotierenden schwarzen Lochs (also mit Millionen von Sonnenmassen) nichts besonderes spüren würde.

Hier der für mich interessanteste Abschnitt im Nature-Artikel:
Zeeya Merali in Nature Vol. 496 hat geschrieben:“The event horizon would literally be a ring of fire that burns anyone falling through,” he says. And that, in turn, violates the equivalence principle and its assertion that free-fall should feel the same as floating in empty space — impossible when the former ends in incineration. So they posted a paper on the preprint server, arXiv, presenting physicists with a stark choice: either accept that firewalls exist and that general relativity breaks down, or accept that information is lost in black holes and quantum mechanics is wrong
Das hieße aber, dass Quantentheorie und Relativitätstheorie nicht nur in der Singularität sondern schon am Ereignishorizont in Konflikt stehen. Könnte man daraus beobachtbare Voraussagen ableiten?

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Skeltek » 30. Jan 2014, 02:06

Ich versuche mich mal auf die "Betrachtungsweise" mit der Firewall einzulassen und zu interretieren:
zu 1:
Die Sache mit der Teilchen-Antiteilchenbildung am EH ist recht strittig,
Es bedeutet lediglich, daß Vakuumfluktuationen die sich zur Singularität hin bewegen blauverschoben und genug Energie bekommen um als Teilchen wahrgenommen zu werden. Ihre Partner die radial weg zeigen werden rotverschoben und wäre die Quantenmechanik nicht da, würde ein Teil dieser Partner rotverschoben abgestrahlt während ein winzigr Teil eine Kurve ins SL fliegt...

Aber Vakuumfluktuationen sind Effekte, die (vermute ich ma) eine Superposition von vielen Ereignissen sind, die auf dem dort mündenden Vergangenheitslichtkegel liegen.
Die Interferenzmuster der Vakuumfluktuationen sind jedoch direkt über dem EH verbogen, da hier nur Wellen aus einem Halbraum/Halbsphäre interferieren. Der Schwerpunkt der entstehenden Teilchenpaare die direkt über dem EH entstehen ist dadurch beim Entstehen des Teilchenpaares bereits mit fast c in Richtung SL beschleunigt.

Der "Nebel" an Teilchen die diese sogenante "Firewall" aufspannen würden wäre unendlich rotverschoben, porös und "weich", was unter dem Strich von einem normalen Feld eines langsam steigenden "Kraftfeldes"(bzw langsam ansteigender Energiedichte) nicht unterscheidbar wäre.

Im Grunde genommen ist die Quantenfluktuation an der EH Oberfläche äquivalent zur Impulsstromdichte die die EH-Oberfäche durchsetzt. Sämmtliche Rechnungen würden denke ich dieselben Ergebnisse liefern wie die Teilchen-Antiteilchen-Rechnung, da die Formeln äquivalente Betrachtungsweisen desselben Sachverhaltes ausdrücken.

zu2:
Ein unendlich heißes Plasma aus nahezu unendlich vielen infinitesimal kleinen Partikeln würde man gar nicht spüren; die brownsche Bewegung der Teilchen wäre durch die freie Wegstrecke 0 und keinerlei resultierenden Impulsschwankungen völlig untangiert. Es könnte höchstens Teilchen beeinflussen, die genauso winzig sind(auf subatomarer Ebene); allerdings ist durch die unendliche Rotverschiebung der Impulsschwankungen der "Firewall" kaum ein Effekt wirklich feststellbar.
Und der Impulsaustausch mit dem SL ist rein beschleunigender Natur.
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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von seeker » 31. Jan 2014, 09:25

Schaut mal in diesen Thread hier rein:

Der Informationsbegriff in der Physik
http://abenteuer-universum.de/bb/viewto ... f=4&t=2410

Wenn Physiker von Informationserhaltung reden, meinen sie normalerweise die unitäre Zeitentwicklung und nicht eine Informationserhaltung, wie z.B. die Information auf ner Festplatte, die nicht gelöscht werden könnte.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Skeltek » 31. Jan 2014, 10:05

Ja, das kenne ich. Inwiefern lässt sich die Entropie eines Teilchengemisches mit dem von Strahlung denn vergleichen?
Haben Teilchen nicht grundsätzlich eine höhere Entropie als ihre Bestandteile?
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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von FKM » 2. Feb 2014, 13:37

Das Thema ist ja hochaktuell und interessant, aber speziell nach dem Posting von Skeltek kann ich nur sagen:

;?

Deswegen habe ich ein paar Verständnisfragen:

Information, Unitarität und Entropie-Begriff

In dem Thread
[url=htttp://abenteuer-universum.de/bb/viewtopic.php?f=4&t=2410]Der Informationsbegriff in der Physik[/url]
verweist TomS auf einen fundamentalen Unterschied zwischen des Informationsbegriffs in der QM und der klassichen Physik.
tomS hat geschrieben:Es ist letztlich ganz einfach... In der QM gilt immer und ausschließlich eine unitäre Zeitentwicklung der Form

|reiner Zustand minimaler Entropie> → U * |reiner Zustand minimaler Entropie> = |reiner Zustand minimaler Entropie>

Wenn man die Hawkingstrahlung als klassische Näherung begreift, dann kann man dies noch gelten lassen. Betrachtet man sie jedoch als fundamentalen Prozess, dann verletzt sie die Regeln der QM, sie bedeutet eine nicht-unitäre Zeitentwicklung (und weil in einem einen Zustand sehr viele mikroskopische Freiheitsgrade Information tragen - welches Teilchen war in welchem Zustand - im thermischen Zustand jedoch keine Information mehr enthalten ist, spricht man von Informationsverlust; korrekt wäre "Verletzung der Unitarität")
Demnach macht der Begriff Entropie in der QM wenig Sinn und wäre demnach ein rein klassisches Phänomen?
Das sagt ja auch Hawking in seinem Artikel: nach seinem Vorschlag bleibt die Unitarität erhalten (vorausgesetzt er wird nicht widerlegt), aber die Information im SL geht gründlicher verloren als nach jeder Bücherverbrennung.

Instantane Informationsübetragung?

Ich habe noch einen deutsch-sprachigen, populärwissenschaftlichen Artikel über das Firewall-Problem gefunden: http://www.sterne-und-weltraum.de/news/ ... ip/1192894

Darin ist die Rede, dass beim Aufbrechen einer Verschränkung Energie frei würde (wie beim Aufbrechen einer Molekülbinddung) - und zwar nicht nur ein bisschen, sondern so viel, dass unmittelbar hinter dem Ereignishorizont Temperaturen in der Größenordnung der Planck-Skala entstehen sollen.
Meine Frage: wie kann das sein (unabhängig von Firewalls und SLs)? Könnte man das nicht ausnutzen, ein Quantenradio zu konstruieren, mit dem Information instantan und damit überlichtschnell übertragen werden kann?

Beim Messen des Zustandes eines verschränkten Teilchens wird ja keine Information übertragen (wenn ich die mir bekannte Literatur richtig verstanden habe), weil lokal immer nur ein zufälliges (aber mit deterministischer Wahrscheinlichkeit) Ergebnis gemessen wird. Die Korrelation kann erst erkannt werden, wenn beide Seiten ihre Messergebnisse mit max. Lichtgeschwindigkeit ausgetauscht haben.

Ganz anders beim Gedankenexperiment "Quantenradio": Nehmen wir an, die nächste Generation von Marsrobotern würde mit einem Quantenradio ausgestattet. Das besteht aus einer Menge von geeigneten Teilchen, die in Kästen genügender Größe aufgeteilt sind und mit entsprechenden Teilchen des Quantensenders in der Basisstation verschränkt seien. Jedes Kästchen representiere ein (klassisches) Bit. Um ein ASCII-Zeichen (einmalig) zu übertragen, benötigt man 7 Kästchen (plus 1 um den Start einer Übertragung zu signalsieren). Um das Zeichen "ACK" zu senden, löst die Basisstation in den Kästchen 2 und 3 die Verschränkung der dort enthaltenen Teilchen. Der Empfänger im Marsroboter misst instantan (statt nach einer 3/4 Stunde) in Kästchen 2 und 3 eine erhöhte Strahlung(?) und weiß damit, dass die Basisstation das Zeichen "ACK" übertragen hat.

Sicherlich habe ich da was falsch verstanden, aber wo liegt der Fehler? :wn:

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von deltaxp » 4. Feb 2014, 12:15

mal ne ganz andere vielleicht dumme frage zum thema virtuelles teilchenpaar-aufspaltung am erignisheorizont. die firewall hypothese nimmt an, dass die verschränkung aufgebrochen wird. aber warum sollte sie. ich meine es wird doch immer betont, das qm nicht lokal ist und das die verschränkung unabhängig vom raum zwischen ihnen, wieso sollte also der ereignishorizont also was ändern?

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von seeker » 4. Feb 2014, 13:19

Ich meine es gibt Spekualtionen, dass starke Gravitation, also quasi die WW mit dem Gravitationsfeld bzw. den Gravitonen, zu Dekohärenz führt.
Genaueres weiß ich leider nicht.

Dass beim "Aufbrechen" einer Verschränkung Energie frei würde ist mir neu, verstehe ich noch nicht und glaube ich vorerst auch noch nicht.
Mich würde die Argumentation aber interessieren (so, dass ich sie verstehe).

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von deltaxp » 4. Feb 2014, 15:00

seeker hat geschrieben:Ich meine es gibt Spekualtionen, dass starke Gravitation, also quasi die WW mit dem Gravitationsfeld bzw. den Gravitonen, zu Dekohärenz führt
das mag durchaus sein, aber bei großen schwarzen löchern oder gar bei supermasiven schwarzen löchern spielen quanteneffekte der gravitation noch keine rolle, das wird eher in der nähe der klassischen singularität interessant. der erignishorzont der ksompischen schwarzenlöcher sollte diesbezüglich recht harmlos sein. bei einem supermasiven schwarzenloch hat man am Ereignishorizont sogar nur so kleine Tidalkräfte dass man unbeschaded hindurchkann (fall keine firewall existiert^^). da is noch nix mit quantengravitation.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Skeltek » 4. Feb 2014, 15:49

Glaube das Aufbrechen einer Verschränkung ist zur Informationsübertragung völlig nutzlos, da man ohnehin nicht weiss wieviel Impuls das gerade zu messende Teilchen gerade exakt hat.
Außerdem löst sich die Verschränkung doch ohnehin sobald man das Teilchen zwanghaft in der Mitte der Box hält?

Daß bei der Auflösung der Verschränkung Energie frei würde kann ich mir durchaus vorstellen. Andererseits kann ich mir auch vorstellen, daß man vorher einfach nicht wusste bei welchem der Teilchen sich der besagte Energieanteil unbekannter Größe befindet...
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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von seeker » 4. Feb 2014, 20:30

Ich glaube auch nicht, dass das zur Informationsübertragung taugt.

Hmm... jetzt denke ich gerade über weitere Szenarien nach, wo evtl. tatsächlich eine instantane Informationsübermittlung stattfinden könnte.
Ich weiß, dass das nicht geht, möchte aber wissen, warum das bei meiner Idee nicht geht:

Szenario:
Ich hebe Elektronen von Atomen auf eine höhere Bahn, ganz so wie beim Laser.
Nun trenne ich diese Atome (die zuvor gemeimsam angeregt wurden) voneinander (in zwei Päckchen A und B) und entferne diese 1 Lj voneinander.
Nun störe ich A so, dass ich es zur Energieabgabe (Photonenemission) zwinge.
Im selben Moment müsste auch B Photonen emittieren, was dort zu einem Signal führt.
Hätte ich viele getrennte Päckchen A/B könnte ich so instantan einen Code, also Information von A nach B übermitteln.
Wo liegt der Fehler? Ist die Trennung nicht möglich? Ist es unmöglich die Kohärenz lange genug aufrecht zu erhalten um 1Lj Weg zwischen die Päckchen zu bringen?
Ist die gezielte Störung/ der Zwang zur Energieabgabe unmöglich?

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von Gepakulix » 4. Feb 2014, 22:01

Vielleicht müsste dieses Szenario noch etwas präzisiert werden:
Es ist für mich nicht klar beschrieben, wer mit wem verschränkt ist.
Für mich ist auch der Grund nicht ersichtlich, weshalb B ein Photon emittieren muss.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von tomS » 5. Feb 2014, 07:09

Einige Anmerkungen:

Die Entropie kann in der QM exakt definiert werden; dies setzt allerdings die Kenntnis aller qm Freiheitsgrade voraus, und dies ist in Ermangelung einer QG und bei semiklassischer Betrachtung (qm Felder auf einer klassischen Raumzeit) nicht gegeben.

Dekohärenz vermittelt durch Gravitation kann wiederum nur eine semiklassische Betrachtung sein. Entweder betrachtet man das Gravitationsfeld rein klassisch, oder man geht in Ermangelung einer QG von einem "Ausspuren" dieser unbekannten Freiheitsgrade aus.

Es ist wohl nicht korrekt, dass am EH großer SLs keine Quanteneffekte auftreten. Betrachtet man die semiklassischen Lösungen und die resultierende Hawkingstrahlung, so kann man ableiten, dass um die Unitarität dr QM zu retten, kleine qm Korrekturen am EH nicht ausreichen. Stattdessen muss das SL einem makroskopischen qm Objekt entsprechen. Darauf deuten auch alle Untersuchungen z.B. im Rahmen der Stringtheorie (fuzzballs) und der LQG hin.

Die ganze Diskussion und insbs. der Artikel Hawkings leidet immer darunter, dass man eine vollständige Theorie der QG einfach noch nicht hat. Von daher zeigen die vielen Diskussionen eigtl. weniger, dass man jetzt versteht, dass alles anders ist, sondern lediglich, dass man es noch nicht versteht. Sabine Hossenfelder kommt zu der Einschätzung, dass der Artikel völlig unbemerkt geblieben wäre, wenn sein Verfasser nicht einen berühmten Namen tragen würde ...
Gruß
Tom

«while I subscribe to the "Many Worlds" theory which posits the existence of an infinite number of Toms in an infinite number of universes, I assure you that in none of them am I dancing»

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von seeker » 5. Feb 2014, 09:07

@Tom:
Danke für die Anmerkungen. Das hilft beim Einordnen.

@Gepakulix:
Ich dachte halt "wie beim Laser". Ich hatte aber wohl einen Denkfehler beim Laserprinzip. Das funktioniert so nicht.
Grundidee war aber, dass man zwei verschränkte, getrennte, z.B. angeregte Teilchen hat, von denen eines zur stimulierten Energieabgabe gezwungen wird.
Der Gedanke war nun, dass dann evtl. auch das andere Teilchen Energie abgeben müsste.
Aber ich sehe ein: Man sollte das -wenn überhaupt- in einem getrennten Thread besprechen.

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Re: St. Hawking über Informationsverlust an schwarzen Löcher

Beitrag von deltaxp » 5. Feb 2014, 12:08

ah, danke tom. wieder was dazu gelernt. letzeres aufrund der autoren-prominenz vermute ich auch.

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