Čierne diery dostávajú svoje meno, pretože ich gravitácia je taká silná, že zachytáva dokonca aj svetlo. A pretože svetlo nemôže opustiť čiernu dieru, potom vyjde aj informácia. Je čudné, že fyzici preukázali teoretický klam ruky a prišli na spôsob, ako vyťažiť zrnko informácií, ktoré spadli do čiernej diery. Ich výpočet sa dotýka jednej z najväčších záhad fyziky: ako všetky informácie zachytené v čiernej diere unikajú preč, keď sa čierna diera „vyparuje“. Predpokladá sa, že by sa to malo stať, ale nikto nevie ako.
Nová schéma by však mala skôr zdôrazniť zložitosť informačného problému o čiernej diere, ako ho vyriešiť. „Možno budú iní v tomto schopní ísť ďalej, ale nemyslím si, že to pomôže,“hovorí Don Page, teoretik z Albertskej univerzity v Edmontone v Kanade, ktorý sa do práce nezapojil.
Môžete znížiť účet za elektrinu, ale nemôžete zničiť informácie hodením do čiernej diery. Je to čiastočne preto, lebo hoci sa kvantová mechanika zaoberá pravdepodobnosťami - ako je pravdepodobnosť, že elektrón je na jednom alebo druhom mieste - kvantové vlny, ktoré dávajú tieto pravdepodobnosti, sa musia vyvíjať predvídateľným spôsobom, takže ak poznáte tvar vlny v jednom bode, môžete ju predpovedať. presne kedykoľvek v budúcnosti. Bez tejto „jednotnosti“by kvantová teória priniesla nezmyselné výsledky, ako sú pravdepodobnosti, ktoré nedosahujú 100%.
Povedzme, že vrháte nejaké kvantové častice do čiernej diery. Na prvý pohľad sa stratia častice a informácie, ktoré obsahujú. A to je problém, pretože časť kvantového stavu popisujúca kombinovaný systém častíc a čiernych dier bola zničená, čo znemožňuje predpovedať presný vývoj a porušuje unitaritu.
Fyzici si myslia, že našli cestu von. V roku 1974 britský teoretik Stephen Hawking tvrdil, že čierne diery môžu emitovať častice a energiu. Vďaka kvantovej neistote nie je prázdny priestor skutočne prázdny - je plný párových častíc, ktoré pravidelne vznikajú a zanikajú. Hawking si uvedomil, že ak dvojica častíc vynárajúcich sa z vákua zasiahne okraj čiernej diery, jedna odletí do vesmíru a druhá spadne do čiernej diery. Unášajúca energiu čiernej diery, unikajúce Hawkingovo žiarenie spôsobuje, že sa čierna diera pomaly vyparuje. Niektorí teoretici si myslia, že sa informácie objavujú znova a sú zakódované v žiarení z čiernej diery - je to však úplne nepochopiteľný okamih, pretože žiarenie sa zdá byť úplne náhodné.
A tak Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn a Sean Carroll z Kalifornského technologického inštitútu v Pasadene našli dobrý spôsob, ako získať informácie z jednej kvantovej častice stratenej v čiernej diere pomocou Hawkingovho žiarenia a zvláštneho konceptu kvantovej teleportácie.
Kvantová teleportácia umožňuje dvom partnerom, Alici a Bobovi, preniesť chúlostivý kvantový stav jednej častice, napríklad elektrónu, na druhú. V kvantovej teórii môže byť spin elektrónu nasmerovaný súčasne nahor, nadol alebo nahor a nadol. Tento stav možno opísať bodkou na zemeguli, kde severný pól znamená hore a južný pól znamená dole. Čiary zemepisnej šírky znamenajú rôzne zmesi smerom hore a dole a čiary zemepisnej dĺžky znamenajú „fázu“alebo to, ako sa krížia vrcholy a dná. Ale ak sa Alice pokúsi zmerať tento stav, „zrúti sa“v tom či onom scenári, hore alebo dole, a zničí fázové informácie. Preto nemôže merať stav a posielať informácie Bobovi, ale musí ich posielať nedotknuté.
Za týmto účelom si môžu Alice a Bob vymeniť ďalší pár elektrónov spojených špeciálnou kvantovou väzbou - zapletením. Stav každej častice v zapletenom páre nie je definovaný - smeruje súčasne do ľubovoľného bodu na svete - ale ich stavy sú korelované, takže ak Alica zmeria svoju časticu z dvojice a zistí, že sa točí povedzme smerom hore, okamžite vie, že Bobov elektrón otáča sa zhora nadol. Alica má teda dva elektróny - jeden, ktorého stav sa chce teleportovať, a svoju polovicu zapleteného páru. Bob má iba jedného z neprehľadného páru.
Propagačné video:
Na vykonávanie teleportácie používa Alice ďalšiu zvláštnu vlastnosť kvantovej mechaniky: to, že meranie nielen odhalí niečo o systéme, ale zmení aj jeho stav. Preto Alica vezme dva zo svojich nezapletených elektrónov a vykoná meranie, ktoré na ne „premietne“zapletený stav. Toto meranie odbúrava zapletenie medzi dvojicou elektrónov, ktoré má s Bobom. Ale zároveň to vedie k tomu, že Bobov elektrón je v stave, v akom bol Alicin elektrón, ktorý musela teleportovať. Správnym meraním Alice prenáša kvantové informácie z jednej strany systému na druhú.
Chatwin-Davis a jeho kolegovia si uvedomili, že môžu teleportovať informácie o stave elektrónu aj z čiernej diery. Predpokladajme, že Alice pláva vedľa čiernej diery so svojim elektrónom. Zachytáva jeden fotón z dvojice žiarenia Hawking. Rovnako ako elektrón, aj fotón sa môže otáčať v oboch smeroch a bude zapletený s fotónovým partnerom, ktorý padá do čiernej diery. Alica potom meria celkový moment hybnosti alebo rotáciu čiernej diery - jej veľkosť a zhruba povedané, ako kolmo na ňu je vo vzťahu k konkrétnej osi. Keď má tieto dve informácie v rukách, hodí svoj elektrón a navždy ho stratí.
Podľa vedcov v práci na Fyzikálnych prehľadových listoch ale Alice môže získať informácie o stave tohto elektrónu. Stačí, aby opäť zmerala rotáciu a orientáciu čiernej diery. Tieto merania potom zapletú čiernu dieru a dopadajúci fotón. Teleportujú tiež stav elektrónu na fotón zachytený Alicou. Informácie o stratenom elektróne budú teda extrahované do pozorovateľného vesmíru.
Chatwin-Davis zdôrazňuje, že tento dizajn nie je plánom praktického experimentu. Nakoniec bude musieť Alice okamžite zmerať rotáciu čiernej diery, ktorá má rovnakú hmotnosť ako slnko. „Vtipkujeme, že Alice je pravdepodobne najvyspelejšou vedkyňou vo vesmíre,“hovorí.
Táto schéma má tiež veľa obmedzení. Najmä ako poznamenávajú autori, pracuje s jednou kvantovou časticou, ale nie s dvoma alebo viacerými. Je to tak preto, lebo recept využíva skutočnosť, že čierna diera si zachováva moment hybnosti, takže jej finálna rotácia sa rovná jej počiatočnej rotácii plus rotácii elektrónu. To umožňuje Alici extrahovať presne dva bity informácií - celkový spin a jeho projekciu pozdĺž jednej osi - a to stačí na určenie zemepisnej šírky a dĺžky kvantového stavu jednej častice. To však nestačí na získanie všetkých informácií zachytených čiernou dierou.
Na skutočné vyriešenie problému s informáciami o čiernej diere musia teoretici brať do úvahy zložité stavy interiéru čiernej diery, hovorí Stefan Leichenhower, teoretik z Kalifornskej univerzity v Berkeley. "Bohužiaľ, najväčšie otázky týkajúce sa čiernych dier sa týkajú vnútorného fungovania," hovorí. „Takže tento protokol, ktorý je určite zaujímavý sám o sebe, nám pravdepodobne povie málo o informačnom probléme čiernej diery.“