Οι φυσικοί ανακαλύπτουν πώς να ανακτήσουν πληροφορίες από μια μαύρη τρύπα
Οι μαύρες τρύπες κερδίζουν το όνομά τους επειδή η βαρύτητα τους είναι τόσο ισχυρή που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από αυτές. Παραδόξως, όμως, οι φυσικοί έχουν καταλήξει σε λίγη θεωρητική μεθοδικότητα για να ανακτήσουν ένα κομμάτι πληροφοριών που έχουν πέσει σε μια μαύρη τρύπα. Ο υπολογισμός αγγίζει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη φυσική:πώς όλες οι πληροφορίες που είναι παγιδευμένες σε μια μαύρη τρύπα διαρρέουν καθώς η μαύρη τρύπα «εξατμίζεται». Πολλοί θεωρητικοί πιστεύουν ότι αυτό πρέπει να συμβεί, αλλά δεν ξέρουν πώς.
Δυστυχώς γι' αυτούς, το νέο σχήμα μπορεί να κάνει περισσότερα για να υπογραμμίσει τη δυσκολία του μεγαλύτερου «προβλήματος πληροφοριών της μαύρης τρύπας» παρά να το λύσει. «Ίσως άλλοι θα μπορέσουν να προχωρήσουν περαιτέρω με αυτό, αλλά δεν είναι προφανές για μένα ότι θα βοηθήσει», λέει ο Don Page, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα στο Έντμοντον του Καναδά, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά.
Μπορείτε να τεμαχίσετε τις φορολογικές σας δηλώσεις, αλλά δεν θα πρέπει να μπορείτε να καταστρέψετε τις πληροφορίες πετάοντάς τις σε μια μαύρη τρύπα. Αυτό συμβαίνει επειδή, παρόλο που η κβαντομηχανική ασχολείται με πιθανότητες - όπως η πιθανότητα ύπαρξης ηλεκτρονίου σε μια ή την άλλη θέση - τα κβαντικά κύματα που δίνουν αυτές τις πιθανότητες πρέπει να εξελίσσονται ακόμη προβλέψιμα, έτσι ώστε αν γνωρίζετε το σχήμα ενός κύματος σε μια στιγμή μπορείτε να προβλέψτε το ακριβώς σε οποιαδήποτε μελλοντική στιγμή. Χωρίς αυτήν την κβαντική θεωρία «μονοστοιχίας» θα παρήγαγε παράλογα αποτελέσματα, όπως πιθανότητες που δεν αθροίζονται στο 100%.
Αλλά ας υποθέσουμε ότι πετάτε μερικά κβαντικά σωματίδια σε μια μαύρη τρύπα. Στο πρώτο ρουζ χάνονται τα σωματίδια και οι πληροφορίες που κωδικοποιούν. Αυτό είναι ένα πρόβλημα, καθώς τώρα μέρος της κβαντικής κατάστασης που περιγράφει το συνδυασμένο σύστημα μαύρης τρύπας-σωματιδίων έχει εξαλειφθεί, καθιστώντας αδύνατη την πρόβλεψη της ακριβούς εξέλιξής του και παραβιάζοντας την ενότητα.
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι έχουν διέξοδο. Το 1974, ο Βρετανός θεωρητικός Στίβεν Χόκινγκ υποστήριξε ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να εκπέμπουν σωματίδια και ενέργεια. Χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα, ο κενός χώρος κυλάει με ζεύγη σωματιδίων που πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη. Ο Χόκινγκ συνειδητοποίησε ότι αν ένα ζεύγος σωματιδίων από το κενό εμφανιζόταν στα όρια της μαύρης τρύπας, τότε ένα σωματίδιο θα μπορούσε να πετάξει στο διάστημα, ενώ το άλλο θα έπεφτε στη μαύρη τρύπα. Μεταφέροντας ενέργεια από τη μαύρη τρύπα, η ακτινοβολία Hawking που εξέρχεται θα πρέπει να προκαλέσει την αργή εξάτμιση μιας μαύρης τρύπας. Ορισμένοι θεωρητικοί υποψιάζονται ότι οι πληροφορίες αναδύονται ξανά από τη μαύρη τρύπα που κωδικοποιείται στην ακτινοβολία—αν και το πώς παραμένει ασαφές καθώς η ακτινοβολία είναι υποτίθεται τυχαία.
Τώρα, ο Aidan Chatwin-Davies, ο Adam Jermyn και ο Sean Carroll του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντίνα βρήκαν έναν σαφή τρόπο για να ανακτήσουν πληροφορίες από ένα κβαντικό σωματίδιο που χάθηκε σε μια μαύρη τρύπα, χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία Hawking και την περίεργη ιδέα της κβαντικής τηλεμεταφοράς.
Η κβαντική τηλεμεταφορά επιτρέπει σε δύο εταίρους, την Αλίκη και τον Μπομπ, να μεταφέρουν τη λεπτή κβαντική κατάσταση ενός σωματιδίου, όπως ενός ηλεκτρονίου, σε ένα άλλο. Στην κβαντική θεωρία, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να περιστραφεί με έναν τρόπο (πάνω), με τον άλλο τρόπο (κάτω) ή κυριολεκτικά και με τους δύο τρόπους ταυτόχρονα. Στην πραγματικότητα, η κατάστασή του μπορεί να περιγραφεί από ένα σημείο σε μια υδρόγειο στο οποίο ο βόρειος πόλος σημαίνει επάνω και ο νότιος πόλος σημαίνει κάτω. Οι γραμμές γεωγραφικού πλάτους δηλώνουν διαφορετικά μείγματα πάνω και κάτω και οι γραμμές γεωγραφικού μήκους δηλώνουν τη "φάση" ή τον τρόπο με τον οποίο πλένονται τα πάνω και τα κάτω μέρη. Ωστόσο, εάν η Alice προσπαθήσει να μετρήσει αυτή την κατάσταση, θα «καταρρεύσει» με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, πάνω ή κάτω, συνθλίβοντας πληροφορίες όπως η φάση. Επομένως, δεν μπορεί να μετρήσει την κατάσταση και να στείλει τις πληροφορίες στον Μπομπ, αλλά πρέπει να τις μεταφέρει άθικτες.
Για να γίνει αυτό, η Αλίκη και ο Μπομπ μπορούν να μοιραστούν ένα επιπλέον ζεύγος ηλεκτρονίων που συνδέονται με έναν ειδικό κβαντικό σύνδεσμο που ονομάζεται εμπλοκή. Η κατάσταση οποιουδήποτε σωματιδίου στο μπερδεμένο ζεύγος είναι αβέβαιη - δείχνει ταυτόχρονα παντού στην υδρόγειο - αλλά οι καταστάσεις συσχετίζονται έτσι ώστε αν η Αλίκη μετρήσει το σωματίδιο της από το ζεύγος και το βρει να περιστρέφεται, ας πούμε, προς τα πάνω, θα καταλάβει αμέσως ότι Το ηλεκτρόνιο του Μπομπ περιστρέφεται προς τα κάτω. Έτσι, η Αλίκη έχει δύο ηλεκτρόνια — αυτό του οποίου την κατάσταση θέλει να τηλεμεταφέρει και το μισό της μπερδεμένο ζεύγος. Ο Μπομπ έχει μόνο αυτό από το μπερδεμένο ζευγάρι.
Για να εκτελέσει την τηλεμεταφορά, η Αλίκη εκμεταλλεύεται μια ακόμη παράξενη ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής:ότι η μέτρηση όχι μόνο αποκαλύπτει κάτι για ένα σύστημα, αλλά αλλάζει επίσης την κατάστασή του. Έτσι, η Αλίκη παίρνει τα δύο άμπλεγμα ηλεκτρόνια της και εκτελεί μια μέτρηση που τα «προβάλλει» σε κατάσταση εμπλοκής. Αυτή η μέτρηση σπάει την εμπλοκή μεταξύ του ζεύγους ηλεκτρονίων που μοιράζονται αυτή και ο Μπομπ. Αλλά ταυτόχρονα, αναγκάζει το ηλεκτρόνιο του Μπομπ στην κατάσταση στην οποία βρισκόταν το ηλεκτρόνιο που θα τηλεμεταφερθεί. Είναι σαν, με τη σωστή μέτρηση, η Αλίκη να συμπιέζει τις κβαντικές πληροφορίες από τη μια πλευρά του συστήματος στην άλλη.
Ο Chatwin-Davies και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν επίσης να τηλεμεταφέρουν τις πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση ενός ηλεκτρονίου από μια μαύρη τρύπα. Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη επιπλέει έξω από τη μαύρη τρύπα με το ηλεκτρόνιό της. Αιχμαλωτίζει ένα φωτόνιο από ένα ζευγάρι που γεννήθηκε από την ακτινοβολία Hawking. Όπως ένα ηλεκτρόνιο, το φωτόνιο μπορεί να περιστραφεί προς οποιαδήποτε από τις δύο κατευθύνσεις και θα μπλέξει με το φωτόνιο συνεργάτη του που έχει πέσει στη μαύρη τρύπα. Στη συνέχεια, η Αλίκη μετρά τη συνολική γωνιακή ορμή, ή σπιν, της μαύρης τρύπας—τόσο το μέγεθός της όσο και, χονδρικά, πόσο ευθυγραμμίζεται με έναν συγκεκριμένο άξονα. Με αυτά τα δύο κομμάτια πληροφοριών στο χέρι, πετάει το ηλεκτρόνιό της, χάνοντάς το για πάντα.
Αλλά η Αλίκη μπορεί ακόμα να ανακτήσει τις πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση αυτού του ηλεκτρονίου, αναφέρει η ομάδα σε μια εφημερίδα που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters . Το μόνο που έχει να κάνει είναι να μετρήσει ξανά την περιστροφή και τον προσανατολισμό της μαύρης τρύπας. Αυτές οι μετρήσεις μπλέκουν στη συνέχεια τη μαύρη τρύπα και το φωτόνιο που πέφτει. Τηλεμεταφέρουν επίσης την κατάσταση του ηλεκτρονίου στο φωτόνιο που κατέλαβε η Αλίκη. Έτσι, οι πληροφορίες από το χαμένο ηλεκτρόνιο σύρονται πίσω στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Ο Chatwin-Davies τονίζει ότι το σχέδιο δεν είναι ένα σχέδιο για ένα πρακτικό πείραμα. Σε τελική ανάλυση, θα απαιτούσε η Αλίκη να μετρήσει σχεδόν αμέσως το σπιν μιας μαύρης τρύπας τόσο μεγάλης όσο ο ήλιος μέχρι το σπιν ενός μόνο ατόμου. "Μας αρέσει να αστειευόμαστε ότι η Αλίκη είναι η πιο προηγμένη επιστήμονας στο σύμπαν", λέει.
Το σύστημα έχει επίσης σημαντικούς περιορισμούς. Συγκεκριμένα, όπως σημειώνουν οι συγγραφείς, λειτουργεί για ένα κβαντικό σωματίδιο, αλλά όχι για δύο ή περισσότερα. Αυτό συμβαίνει επειδή η συνταγή εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η μαύρη τρύπα διατηρεί τη γωνιακή ορμή, έτσι ώστε το τελικό σπιν της να είναι ίσο με το αρχικό σπιν της συν αυτό του ηλεκτρονίου. Αυτό το τέχνασμα δίνει τη δυνατότητα στην Αλίκη να βγάλει ακριβώς δύο bits πληροφοριών - το συνολικό σπιν και την προβολή του κατά μήκος ενός άξονα - και αυτές είναι απλώς αρκετές πληροφορίες για να καθορίσετε το γεωγραφικό πλάτος και το μήκος της κβαντικής κατάστασης ενός σωματιδίου. Αλλά δεν είναι σχεδόν αρκετό για να συλλάβει ξανά όλες τις πληροφορίες που έχουν παγιδευτεί σε μια μαύρη τρύπα, η οποία συνήθως σχηματίζεται όταν ένα αστέρι καταρρέει πάνω του.
Για να αντιμετωπίσουν πραγματικά το πρόβλημα των πληροφοριών της μαύρης τρύπας, οι θεωρητικοί θα πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη τις περίπλοκες καταστάσεις του εσωτερικού της μαύρης τρύπας, λέει ο Stefan Leichenauer, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. «Δυστυχώς, όλα τα μεγάλα ερωτήματα που έχουμε για τις μαύρες τρύπες αφορούν ακριβώς αυτές τις εσωτερικές λειτουργίες», λέει. "Έτσι, αυτό το πρωτόκολλο, αν και ενδιαφέρον από μόνο του, μάλλον δεν θα μας διδάξει πολλά για το πρόβλημα πληροφοριών της μαύρης τρύπας γενικά."
Ωστόσο, η εμβάθυνση στο εσωτερικό των μαύρων τρυπών θα απαιτούσε μια κβαντομηχανική θεωρία της βαρύτητας. Φυσικά, η ανάπτυξη μιας τέτοιας θεωρίας είναι ίσως ο μεγαλύτερος στόχος σε όλη τη θεωρητική φυσική, ένας στόχος που διέφευγε τους φυσικούς για δεκαετίες.
