A fekete lyukak azért kapják a nevüket, mert gravitációjuk olyan erős, hogy még a fényt is csapdába ejti. És mivel a fény nem hagyhatja el a fekete lyukat, akkor az információk is kijönnek. Furcsa módon a fizikusok elméleti kézenfekvést mutattak ki, és kitalálták, hogyan lehet kinyerni egy fekete lyukba hullott információcseppet. Számításuk a fizika egyik legnagyobb rejtélyét érinti: hogy a fekete lyukba rekedt összes információ hogyan szivárog el, amikor a fekete lyuk "elpárolog". Úgy gondolják, hogy ennek meg kell történnie, de senki sem tudja, hogyan.
Az új rendszernek azonban inkább a fekete lyuk információs problémájának összetettségét kell hangsúlyoznia, nem pedig megoldania. "Lehet, hogy mások képesek lesznek ennél tovább lépni, de nem hiszem, hogy ez segítene" - mondja Don Page, a kanadai Edmontoni Alberta Egyetem elméleti szakértője, aki nem vett részt a munkában.
Csökkentheti a villanyszámlát, de nem rombolhatja le az információkat azáltal, hogy fekete lyukba dobja. Ez részben annak köszönhető, hogy bár a kvantummechanika valószínűségekkel foglalkozik - mint például annak valószínűsége, hogy egy elektron egy vagy másik helyen van -, az ezeket a valószínűségeket adó kvantumhullámoknak kiszámítható módon kell fejlődniük, tehát ha ismeri a hullámformát egy ponton, megjósolhatja. pontosan a jövőben bármikor. E "unitaritás" nélkül a kvantumelmélet értelmetlen eredményeket hozna, például olyan valószínűségeket, amelyek nem haladják meg a 100% -ot.
Tegyük fel, hogy kvantumrészecskéket dob egy fekete lyukba. Első pillantásra a részecskék és az azokban található információk elvesznek. Ez pedig problémát jelent, mert a kvantumállapot azon része, amely leírja a részecskék és a fekete lyukak együttes rendszerét, megsemmisült, ami lehetetlenné teszi a pontos evolúció előrejelzését, és sérti az unitaritást.
A fizikusok úgy gondolják, hogy megtalálták a kiutat. 1974-ben Stephen Hawking brit teoretikus azzal érvelt, hogy a fekete lyukak részecskéket és energiát bocsáthatnak ki. A kvantumbizonytalanságnak köszönhetően az üres tér nem igazán üres - tele van párosított részecskékkel, amelyek időszakosan létrejönnek és eltűnnek. Hawking rájött, hogy ha a vákuumból kibukkanó részecskepár egy fekete lyuk szélére ütközik, az egyik az űrbe repül, a másik pedig a fekete lyukba esik. A fekete lyuk energiáját elszállítva a kiszabaduló Hawking-sugárzás a fekete lyuk lassan elpárolog. Egyes elméleti szakemberek úgy gondolják, hogy az információ ismét megjelenik, a fekete lyuk sugárzásába kódolva - ez azonban teljesen érthetetlen pillanat, mivel a sugárzás teljesen véletlenszerűnek tűnik.
Tehát Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn és Sean Carroll, a pasadenai Kaliforniai Műszaki Intézet jó módot találtak arra, hogy Hawking-sugárzás és a kvantumteleportálás furcsa koncepciója segítségével információkat szerezzenek egyetlen fekete lyukban elveszett kvantumrészecskéből.
A kvantumteleportálás lehetővé teszi két partner, Alice és Bob számára, hogy az egyik részecske, mint egy elektron, finom kvantumállapotát a másikba vigye. A kvantumelméletben az elektron spinje egyszerre lehet felfelé, lefelé, illetve fel és le irányítani. Ezt az állapotot a földgömbön egy ponttal lehet leírni, ahol az északi pólus felfelé, a déli pólus pedig lefelé jelent. A szélességi vonalak a fel és le különböző keverékeit jelentik, a hosszúsági vonalak pedig a "fázist" vagy azt, hogy a felső és az alsó rész keresztezik-e. De ha Alice megpróbálja megmérni ezt az állapotot, az "összeomlik" egyik vagy másik forgatókönyvben, felfelé vagy lefelé, elpusztítva a fázisinformációt. Ezért nem tudja megmérni az állapotot és információt küldeni Bobnak, hanem érintetlenül kell küldenie.
Ehhez Alice és Bob további elektronpárokat cserélhet ki, amelyeket egy speciális kvantumkötés - összefonódás - köt össze. Az összefonódott pár minden részecskéjének állapota nincs meghatározva - egyszerre mutat a földgömb bármely pontjára -, de állapotuk összefüggésben van, tehát ha Alice a párjából leméri részecskéjét, és felfedezi, hogy mondjuk felfelé forog, akkor azonnal tudja, hogy Bob elektronja felülről lefelé forog. Tehát Alice-nek két elektronja van - az egyik, amelynek állapotát teleportálni akarja, és a kusza pár fele. Bobnak csak egy zavaros párja van.
Promóciós videó:
A teleportálás elvégzéséhez Alice a kvantummechanika egy másik furcsa tulajdonságát használja: hogy egy mérés nemcsak feltár valamit a rendszerről, hanem megváltoztatja annak állapotát is. Ezért Alice elveszi két kibonthatatlan elektronját, és elvégez egy mérést, amely rájuk "vetíti" a kusza állapotot. Ez a mérés megtöri az összefonódást az ő és Bob elektronpárja között. De ugyanakkor oda vezet, hogy Bob elektronja abban az állapotban van, amelyben Alice elektronja volt, amelyet teleportálnia kellett. Helyes méréssel Alice kvantuminformációt továbbít a rendszer egyik oldaláról a másikra.
Chatwin-Davis és kollégái rájöttek, hogy a fekete lyukból is teleportálhatnak információkat az elektron állapotáról. Tegyük fel, hogy Alice egy fekete lyuk mellett lebeg elektronjával. Megfog egy fotont a Hawking-sugárzás párjából. Az elektronhoz hasonlóan a foton mindkét irányban foroghat, és összefonódik egy fotonpartnerrel, amely egy fekete lyukba esik. Alice ezután megméri a fekete lyuk teljes szögmomentumát, vagyis spinjét - méretét és durván szólva azt, hogy mennyire szögletes egy adott tengelyhez viszonyítva. Ez a két információdarab a kezében van, és dobja elektronját, örökre elveszítve.
A fizikai áttekintő levelekkel foglalkozó tudósok szerint Alice azonban információt nyerhet ennek az elektronnak az állapotáról. Csak annyit kell tennie, hogy újra megmérje a fekete lyuk forgását és tájolását. Ezek a mérések aztán összekuszálják a fekete lyukat és a beeső fotont. Teleportálják az elektron állapotát az Alice által elfogott fotonhoz is. Így az elveszett elektron információit kivonják a megfigyelhető Univerzumba.
Chatwin-Davis hangsúlyozza, hogy ez a séma nem tervrajz egy gyakorlati kísérlethez. Végül Alice-nek azonnal meg kell mérnie egy fekete lyuk pörgését, amelynek tömege megegyezik a Napéval. "Viccelődünk, hogy Alice valószínűleg az univerzum legfejlettebb tudósa" - mondja.
Ennek a rendszernek számos korlátja van. Különösen, ahogy a szerzők megjegyzik, egy kvantumrészecskével működik, de nem kettővel vagy többel. A recept ugyanis azt a tényt használja, hogy a fekete lyuk megtartja a szögletét, tehát végső pörgése megegyezik a kezdeti pörgésével plusz egy elektron pörgésével. Ez lehetővé teszi Alice számára, hogy pontosan két bit információt nyerjen ki - a teljes spin és annak vetülete egy tengely mentén -, és ez elegendő egy részecske kvantumállapotának szélességének és hosszúságának meghatározásához. De ez nem elegendő a fekete lyuk által elkapott összes információ helyreállításához.
A fekete lyuk információs problémájának valódi megoldásához az elméletalkotóknak számolniuk kell a fekete lyuk belső terének bonyolult állapotával - mondja Stefan Leichenhower, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem teoretikusa. "Sajnos a fekete lyukakkal kapcsolatos legnagyobb kérdések a belső működéssel kapcsolatosak" - mondja. "Tehát ez a protokoll, amely önmagában is érdekes, valószínűleg keveset fog mesélni a fekete lyuk információs problémájáról."