Czarne dziury mają swoją nazwę, ponieważ ich grawitacja jest tak silna, że zatrzymuje nawet światło. A ponieważ światło nie może opuścić czarnej dziury, pojawia się również informacja. Co dziwne, fizycy wykazali się sztuczką teoretyczną i wymyślili sposób, aby wydobyć odrobinę informacji, która wpadła do czarnej dziury. Ich obliczenia dotykają jednej z największych zagadek fizyki: jak wszystkie informacje uwięzione w czarnej dziurze wyciekają, gdy czarna dziura „wyparowuje”. Uważa się, że tak się powinno stać, ale nikt nie wie jak.
Jednak nowy schemat powinien raczej podkreślać złożoność problemu informacji o czarnych dziurach, niż go rozwiązywać. „Może inni będą mogli pójść dalej, ale nie sądzę, że to pomoże” - mówi Don Page, teoretyk z University of Alberta w Edmonton w Kanadzie, który nie brał udziału w tej pracy.
Możesz obniżyć rachunek za prąd, ale nie możesz zniszczyć informacji, wrzucając je do czarnej dziury. Dzieje się tak częściowo dlatego, że chociaż mechanika kwantowa zajmuje się prawdopodobieństwami - takimi jak prawdopodobieństwo, że elektron znajduje się w takim czy innym miejscu - fale kwantowe, które dają te prawdopodobieństwa, muszą ewoluować w przewidywalny sposób, więc jeśli znasz kształt fali w pewnym momencie, możesz go przewidzieć. dokładnie w dowolnym momencie w przyszłości. Bez tej „jedności” teoria kwantowa dawałaby bezsensowne wyniki, takie jak prawdopodobieństwa, które nie sumują się do 100%.
Powiedzmy, że wrzucasz cząstki kwantowe do czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka cząsteczki i zawarte w nich informacje są tracone. I to jest problem, ponieważ część stanu kwantowego opisująca połączony układ cząstek i czarnych dziur została zniszczona, co uniemożliwia dokładne przewidzenie ewolucji i narusza jedność.
Fizycy uważają, że znaleźli wyjście. W 1974 roku brytyjski teoretyk Stephen Hawking przekonywał, że czarne dziury mogą emitować cząstki i energię. Dzięki niepewności kwantowej pusta przestrzeń nie jest tak naprawdę pusta - jest pełna sparowanych cząstek, które okresowo pojawiają się i znikają. Hawking zdał sobie sprawę, że jeśli para cząstek wyłaniających się z próżni uderzy w krawędź czarnej dziury, jedna odleci w kosmos, a druga wpadnie do czarnej dziury. Przenosząc energię czarnej dziury, uciekające promieniowanie Hawkinga powoduje, że czarna dziura powoli wyparowuje. Niektórzy teoretycy uważają, że informacja pojawia się ponownie, zakodowana w promieniowaniu czarnej dziury - jest to jednak moment całkowicie niezrozumiały, ponieważ promieniowanie wydaje się być całkowicie przypadkowe.
I tak Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn i Sean Carroll z Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie znaleźli dobry sposób na uzyskanie informacji z pojedynczej cząstki kwantowej zagubionej w czarnej dziurze przy użyciu promieniowania Hawkinga i dziwnej koncepcji kwantowej teleportacji.
Teleportacja kwantowa umożliwia dwóm partnerom, Alicji i Bobowi, przeniesienie delikatnego stanu kwantowego jednej cząstki, takiej jak elektron, na drugą. W teorii kwantów spin elektronu może być skierowany w górę, w dół lub w górę i w dół w tym samym czasie. Stan ten można opisać kropką na kuli ziemskiej, gdzie biegun północny oznacza górę, a biegun południowy - dół. Linie szerokości geograficznej oznaczają różne kombinacje w górę i w dół, a linie długości geograficznej oznaczają „fazę” lub sposób, w jaki krzyżują się wierzchołki i dna. Ale jeśli Alicja próbuje zmierzyć ten stan, „załamuje się” w takim czy innym scenariuszu, w górę lub w dół, niszcząc informację o fazie. Dlatego nie może zmierzyć stanu i wysłać informacji do Boba, ale musi wysłać je nietknięte.
Aby to zrobić, Alicja i Bob mogą wymienić dodatkową parę elektronów połączonych specjalnym wiązaniem kwantowym - splątaniem. Stan każdej cząstki w splątanej parze nie jest zdefiniowany - jednocześnie wskazuje na dowolny punkt na kuli ziemskiej - ale ich stany są skorelowane, więc jeśli Alicja zmierzy swoją cząstkę z pary i odkryje, że wiruje, powiedzmy, w górę, natychmiast wie, że elektron Boba obraca się od góry do dołu. Tak więc Alicja ma dwa elektrony - jeden, którego stan chce teleportować, i połowę splątanej pary. Bob ma tylko jedną mylącą parę.
Film promocyjny:
Aby wykonać teleportację, Alice wykorzystuje inną dziwną właściwość mechaniki kwantowej: pomiar nie tylko ujawnia coś o systemie, ale także zmienia jego stan. Dlatego Alicja bierze swoje dwa niezwiązane elektrony i dokonuje pomiaru, który „rzutuje” na nie splątany stan. Ten pomiar rozkłada splątanie między parą elektronów, które ona i Bob mają. Ale jednocześnie prowadzi to do tego, że elektron Boba jest w stanie, w jakim znajdował się elektron Alicji, który musiała teleportować. Dzięki poprawnemu pomiarowi Alice przenosi informacje kwantowe z jednej strony systemu na drugą.
Chatwin-Davis i jego koledzy zdali sobie sprawę, że mogą również teleportować informacje o stanie elektronu z czarnej dziury. Załóżmy, że Alicja unosi się obok czarnej dziury ze swoim elektronem. Wychwytuje jeden foton z pary promieniowania Hawkinga. Podobnie jak elektron, foton może wirować w obu kierunkach i zostanie splątany z partnerem fotonu, który wpadnie do czarnej dziury. Następnie Alicja mierzy całkowity moment pędu lub spin czarnej dziury - jej rozmiar i, z grubsza mówiąc, jak prostopadle jest do określonej osi. Mając te dwa fragmenty informacji w dłoniach, rzuca elektronem, tracąc go na zawsze.
Ale Alice może odzyskać informacje o stanie tego elektronu, według naukowców z pracy nad Physical Review Letters. Jedyne, co musi zrobić, to ponownie zmierzyć rotację i orientację czarnej dziury. Pomiary te następnie oplatają czarną dziurę i padający foton. Teleportują również stan elektronu do fotonu przechwyconego przez Alicję. W ten sposób informacja o utraconym elektronie zostanie wydobyta do obserwowalnego Wszechświata.
Chatwin-Davis podkreśla, że schemat ten nie jest planem praktycznego eksperymentu. Ostatecznie Alicja będzie musiała natychmiast zmierzyć obrót czarnej dziury, która ma taką samą masę jak słońce. „Żartujemy, że Alice jest prawdopodobnie najbardziej zaawansowanym naukowcem we wszechświecie” - mówi.
Ten schemat ma również wiele ograniczeń. W szczególności, jak zauważają autorzy, działa z jedną cząstką kwantową, ale nie z dwoma lub więcej. Dzieje się tak, ponieważ przepis wykorzystuje fakt, że czarna dziura zachowuje moment pędu, więc jej spin końcowy jest równy spinowi początkowemu plus spin elektronu. To pozwala Alicji na wydobycie dokładnie dwóch bitów informacji - całkowitego spinu i jego projekcji wzdłuż jednej osi - i to wystarczy, aby określić szerokość i długość stanu kwantowego jednej cząstki. Ale to nie wystarczy, aby odzyskać wszystkie informacje przechwycone przez czarną dziurę.
Aby naprawdę rozwiązać problem informacji o czarnych dziurach, teoretycy muszą uwzględnić złożone stany we wnętrzu czarnej dziury - mówi Stefan Leichenhower, teoretyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. „Niestety, największe pytania dotyczące czarnych dziur dotyczą ich wewnętrznego funkcjonowania” - mówi. „Więc ten protokół, który jest z pewnością interesujący sam w sobie, prawdopodobnie niewiele nam powie o problemie informacyjnym czarnej dziury”.