Zwarte gaten krijgen hun naam omdat hun zwaartekracht zo sterk is dat het zelfs licht vangt. En aangezien het licht het zwarte gat niet kan verlaten, komt de informatie ook naar buiten. Vreemd genoeg hebben natuurkundigen theoretische goochelarij getoond en een manier bedacht om een stukje informatie te extraheren dat in een zwart gat viel. Hun berekening raakt aan een van de grootste mysteries in de natuurkunde: hoe alle informatie die in een zwart gat vastzit, weglekt terwijl het zwarte gat "verdampt". Er wordt aangenomen dat dit zou moeten gebeuren, maar niemand weet hoe.
Het nieuwe schema moet echter eerder de complexiteit van het informatieprobleem van het zwarte gat benadrukken dan het oplossen. "Misschien kunnen anderen hier verder op ingaan, maar ik denk niet dat het zal helpen", zegt Don Page, een theoreticus aan de Universiteit van Alberta in Edmonton, Canada, die niet bij het werk betrokken was.
U kunt een elektriciteitsrekening verlagen, maar u kunt informatie niet vernietigen door deze in een zwart gat te gooien. Dit komt gedeeltelijk omdat, hoewel de kwantummechanica te maken heeft met waarschijnlijkheden - zoals de waarschijnlijkheid dat een elektron zich op de een of andere plaats bevindt - de kwantumgolven die deze kansen geven, op een voorspelbare manier moeten evolueren, dus als je de golfvorm op een bepaald moment kent, kun je het voorspellen. precies op elk moment in de toekomst. Zonder deze "unitariteit" zou de kwantumtheorie betekenisloze resultaten opleveren, zoals waarschijnlijkheden die niet oplopen tot 100%.
Laten we zeggen dat je wat kwantumdeeltjes in een zwart gat gooit. Op het eerste gezicht gaan de deeltjes en de informatie die ze bevatten verloren. En dit is een probleem, omdat het deel van de kwantumtoestand dat het gecombineerde systeem van deeltjes en zwarte gaten beschrijft, is vernietigd, wat het onmogelijk maakt om de exacte evolutie te voorspellen en de unitariteit schendt.
Natuurkundigen denken dat ze een uitweg hebben gevonden. In 1974 stelde de Britse theoreticus Stephen Hawking dat zwarte gaten deeltjes en energie kunnen uitzenden. Dankzij kwantumonzekerheid is lege ruimte niet echt leeg - het zit vol met gepaarde deeltjes die periodiek ontstaan en verdwijnen. Hawking realiseerde zich dat als een paar deeltjes die uit het vacuüm tevoorschijn kwamen de rand van een zwart gat zouden raken, de ene de ruimte in zou vliegen en de andere in het zwarte gat zou vallen. Door de energie van het zwarte gat weg te voeren, zorgt de ontsnappende Hawking-straling ervoor dat het zwarte gat langzaam verdampt. Sommige theoretici denken dat er weer informatie verschijnt, gecodeerd in straling van een zwart gat - dit is echter een volkomen onbegrijpelijk moment, aangezien de straling volkomen willekeurig lijkt te zijn.
En dus hebben Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn en Sean Carroll van California Institute of Technology in Pasadena een goede manier gevonden om informatie te krijgen van een enkel kwantumdeeltje dat verloren is gegaan in een zwart gat met behulp van Hawking-straling en het vreemde concept van kwantumteleportatie.
Kwantumteleportatie stelt twee partners, Alice en Bob, in staat om de delicate kwantumtoestand van het ene deeltje, zoals een elektron, over te dragen naar het andere. In de kwantumtheorie kan de spin van een elektron tegelijkertijd omhoog, omlaag of omhoog en omlaag gaan. Deze toestand kan worden beschreven door een stip op de aardbol, waarbij de noordpool boven betekent en de zuidpool beneden. Lijnen van breedtegraad betekenen verschillende mengsels van omhoog en omlaag, en lijnen van lengtegraad betekenen 'fase', of hoe de toppen en bodems elkaar kruisen. Maar als Alice deze toestand probeert te meten, "stort" het in een of ander scenario op of neer, waarbij de fase-informatie wordt vernietigd. Daarom kan ze de staat niet meten en informatie naar Bob sturen, maar moet ze deze onaangeroerd verzenden.
Om dit te doen, kunnen Alice en Bob een extra paar elektronen uitwisselen die zijn verbonden door een speciale kwantumbinding - verstrengeling. De toestand van elk deeltje in het verstrengelde paar is niet gedefinieerd - het wijst tegelijkertijd naar een punt op de aardbol - maar hun toestanden zijn gecorreleerd, dus als Alice haar deeltje vanaf het paar meet en ontdekt dat het bijvoorbeeld naar boven draait, zal ze onmiddellijk weten dat het elektron van Bob draait van boven naar beneden. Alice heeft dus twee elektronen: een, waarvan ze de toestand wil teleporteren, en haar helft van het verstrengelde paar. Bob heeft er maar één van een verwarrend paar.
Promotie video:
Om teleportatie uit te voeren, gebruikt Alice een andere vreemde eigenschap van de kwantummechanica: die meting onthult niet alleen iets over het systeem, maar verandert ook de toestand ervan. Daarom neemt Alice twee van haar niet-verstrengelde elektronen en doet een meting die de verstrengelde toestand erop 'projecteert'. Deze meting breekt de verstrengeling tussen het paar elektronen dat zij en Bob hebben op. Maar tegelijkertijd leidt het ertoe dat het elektron van Bob zich in de staat bevindt waarin het elektron van Alice was, die ze moest teleporteren. Door middel van een juiste meting draagt Alice kwantuminformatie over van de ene kant van het systeem naar de andere.
Chatwin-Davis en zijn collega's realiseerden zich dat ze ook informatie over de toestand van een elektron vanuit een zwart gat konden teleporteren. Stel dat Alice met haar elektron naast een zwart gat zweeft. Het vangt één foton op van het Hawking-stralingspaar. Net als een elektron kan een foton in beide richtingen draaien en zal het verstrengeld raken met een fotonpartner die in een zwart gat valt. Alice meet dan het totale impulsmoment, of spin, van het zwarte gat - de grootte ervan en, ruwweg gesproken, hoe gelijkmatig het is in verhouding tot een bepaalde as. Met deze twee stukjes informatie in haar handen, gooit ze haar elektron weg en verliest het voor altijd.
Maar Alice kan informatie over de toestand van dit elektron terugkrijgen, aldus wetenschappers in het werk aan Physical Review Letters. Het enige wat ze hoeft te doen is de spin en oriëntatie van het zwarte gat opnieuw te meten. Deze metingen verstrengelen vervolgens het zwarte gat en het invallende foton. Ze teleporteren ook de toestand van het elektron naar het foton dat door Alice is opgevangen. De informatie van het verloren elektron zal dus worden geëxtraheerd in het waarneembare universum.
Chatwin-Davis benadrukt dat dit schema geen blauwdruk is voor een praktisch experiment. Uiteindelijk zal Alice onmiddellijk de rotatie van een zwart gat moeten meten, dat dezelfde massa heeft als de zon. 'We maken grapjes dat Alice waarschijnlijk de meest geavanceerde wetenschapper in het universum is', zegt hij.
Dit schema heeft ook veel beperkingen. In het bijzonder, zoals de auteurs opmerken, werkt het met één kwantumdeeltje, maar niet met twee of meer. Dit komt omdat het recept het feit gebruikt dat het zwarte gat impulsmoment behoudt, dus de uiteindelijke spin is gelijk aan de oorspronkelijke spin plus de spin van een elektron. Hierdoor kan Alice precies twee bits informatie extraheren - de totale spin en de projectie langs één as - en dit is voldoende om de breedte- en lengtegraad van de kwantumtoestand van één deeltje te bepalen. Maar dit is niet genoeg om alle informatie die door het zwarte gat is vastgelegd, te herstellen.
Om het informatieprobleem van het zwarte gat echt op te lossen, moeten theoretici rekening houden met de complexe toestanden van het binnenste van het zwarte gat, zegt Stefan Leichenhower, een theoreticus aan de University of California, Berkeley. "Helaas gaan de grootste vragen over zwarte gaten over de innerlijke werking", zegt hij. "Dus dit protocol, dat op zichzelf zeker interessant is, zal ons waarschijnlijk weinig vertellen over het informatieprobleem van een zwart gat."
