Crne rupe su ime dobile jer je njihova gravitacija toliko jaka da čak zarobljava svjetlost. A budući da svjetlost ne može napustiti crnu rupu, tada izlaze i informacije. Čudno je da su fizičari pokazali teoretsku spretnost ruku i smislili način da izvuku trunku informacija koja je pala u crnu rupu. Njihov se proračun dotiče jedne od najvećih misterija u fizici: kako sve informacije zarobljene u crnoj rupi istječu dok crna rupa "isparava". Vjeruje se da bi se to trebalo dogoditi, ali nitko ne zna kako.
Međutim, nova shema trebala bi radije naglasiti složenost problema s informacijama o crnoj rupi, umjesto da ga riješi. "Možda će drugi moći ići dalje u ovome, ali mislim da to neće pomoći", kaže Don Page, teoretičar sa Sveučilišta Alberta u Edmontonu u Kanadi, koji nije sudjelovao u radu.
Možete smanjiti račun za struju, ali ne možete uništiti informacije bacanjem u crnu rupu. To je dijelom i zbog toga što se iako kvantna mehanika bavi vjerojatnostima - poput vjerojatnosti da se elektron nalazi na jednom ili drugom mjestu - kvantni valovi koji daju ove vjerojatnosti moraju se razvijati na predvidljiv način, pa ako znate valni oblik u jednom trenutku, možete ga predvidjeti. točno u bilo koje vrijeme u budućnosti. Bez ove "unitarnosti" kvantna bi teorija proizvela besmislene rezultate poput vjerojatnosti koje ne dosežu 100%.
Recimo da bacate neke kvantne čestice u crnu rupu. Na prvi pogled gube se čestice i informacije koje sadrže. I to je problem, jer je dio kvantnog stanja koji opisuje kombinirani sustav čestica i crnih rupa uništen, što onemogućava predviđanje točnog razvoja i krši unitarnost.
Fizičari misle da su pronašli izlaz. Britanski je teoretičar Stephen Hawking 1974. tvrdio da crne rupe mogu emitirati čestice i energiju. Zahvaljujući kvantnoj nesigurnosti, prazan prostor zapravo nije prazan - pun je uparenih čestica koje povremeno nastaju i nestaju. Hawking je shvatio da bi, ako par čestica koji izniknu iz vakuuma udari o rub crne rupe, jedna odletjela u svemir, a druga bi pala u crnu rupu. Odnoseći energiju crne rupe, Hawkingovo zračenje u bijegu uzrokuje polako isparavanje crne rupe. Neki teoretičari misle da se informacije ponovno pojavljuju, kodirane u zračenju iz crne rupe - međutim, ovo je potpuno nerazumljiv trenutak, jer se čini da je zračenje potpuno slučajno.
I tako su Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn i Sean Carroll s Kalifornijskog tehnološkog instituta u Pasadeni pronašli dobar način za dobivanje informacija iz jedne kvantne čestice izgubljene u crnoj rupi pomoću Hawkingova zračenja i neobičnog koncepta kvantne teleportacije.
Kvantna teleportacija omogućuje dvoje partnera, Alice i Boba, da prenose osjetljivo kvantno stanje jedne čestice, poput elektrona, u drugu. U kvantnoj teoriji, spin elektrona može istovremeno biti gore, dolje ili gore i dolje. To se stanje može opisati točkom na kugli zemaljskoj, gdje sjeverni pol znači gore, a južni pol dolje. Linijske širine znače različite smjese gore i dolje, a dužinske crte znače "fazu" ili kako se vrhovi i dna sijeku. Ali ako Alice pokuša izmjeriti ovo stanje, ono se "sruši" u jednom ili drugom scenariju, gore ili dolje, uništavajući informacije o fazi. Stoga ona ne može izmjeriti stanje i poslati informacije Bobu, već ih mora poslati netaknute.
Da bi to učinili, Alice i Bob mogu razmijeniti dodatni par elektrona povezanih posebnom kvantnom vezom - spletom. Stanje svake čestice u zapetljanom paru nije definirano - istovremeno pokazuje na bilo koju točku na kugli zemaljskoj - ali njihova su stanja u korelaciji, pa ako Alice odmjeri svoju česticu iz para i otkrije da se vrti, recimo, prema gore, odmah će znati da je Bobov elektron okreće se odozgo prema dolje. Dakle, Alice ima dva elektrona - jedan onaj u čijem se stanju želi teleportirati, i njezinu polovicu zapletenog para. Bob ima samo jedan od zbunjujućeg para.
Promotivni video:
Da bi izvela teleportaciju, Alice koristi još jedno čudno svojstvo kvantne mehanike: to mjerenje ne samo da otkriva nešto o sustavu, već mijenja i njegovo stanje. Stoga, Alice uzima svoja dva nezamijenjena elektrona i vrši mjerenje koje na njih "projicira" zapleteno stanje. Ovo mjerenje prekida zapletenost između para elektrona koji ona i Bob imaju. Ali istodobno, to dovodi do činjenice da je Bobov elektron u stanju u kojem je bio Alicein elektron, a koje je morala teleportirati. Ispravnim mjerenjem, Alice prenosi kvantne informacije s jedne strane sustava na drugu.
Chatwin-Davis i njegovi kolege shvatili su da informacije o stanju elektrona mogu teleportirati i iz crne rupe. Pretpostavimo da Alice pluta pored crne rupe sa svojim elektronom. Snima jedan foton iz para Hawkingova zračenja. Poput elektrona, foton se može vrtjeti u oba smjera i bit će zapetljan s fotonskim partnerom koji padne u crnu rupu. Alice tada mjeri ukupni kutni moment ili spin crne rupe - njezinu veličinu i, grubo govoreći, koliko je ujednačena u odnosu na određenu os. Imajući ove dvije komadiće informacija u rukama, ona baca svoj elektron, gubeći ga zauvijek.
Ali Alice može oporaviti informacije o stanju ovog elektrona, prema znanstvenicima u radu na Physical Review Letters. Sve što treba učiniti je ponovno izmjeriti okretanje i orijentaciju crne rupe. Ta mjerenja zatim zapliću crnu rupu i incidentni foton. Oni također teleportiraju stanje elektrona na foton koji je uhvatila Alice. Tako će se podaci o izgubljenom elektronu izvući u vidljivi Svemir.
Chatwin-Davis naglašava da ovaj dizajn nije nacrt praktičnog eksperimenta. U konačnici, Alice će trebati odmah izmjeriti vrtnju crne rupe koja ima istu masu kao i sunce. "Šalimo se da je Alice vjerojatno najnaprednija znanstvenica u svemiru", kaže on.
Ova shema također ima mnoga ograničenja. Konkretno, kako primjećuju autori, radi s jednom kvantnom česticom, ali ne i s dvije ili više. To je zato što recept koristi činjenicu da crna rupa zadržava kutni zamah, pa je njezin konačni spin jednak početnom vrtnju plus spin elektrona. To omogućuje Alice da izvuče točno dva bita informacija - ukupni spin i njegovu projekciju duž jedne osi - i to je dovoljno za određivanje zemljopisne širine i dužine kvantnog stanja jedne čestice. Ali to nije dovoljno za oporavak svih podataka koje je uhvatila crna rupa.
Da bi uistinu riješili problem informacija s crnom rupom, teoretičari moraju uzeti u obzir složena stanja u unutrašnjosti crne rupe, kaže Stefan Leichenhower, teoretičar s kalifornijskog sveučilišta Berkeley. "Nažalost, najveća pitanja o crnim rupama odnose se na unutarnji rad", kaže on. "Dakle, ovaj protokol, koji je zasigurno zanimljiv sam po sebi, vjerojatno će nam malo reći o informacijskom problemu crne rupe."
