Svarta hål får sitt namn eftersom deras tyngdkraft är så stark att den till och med fångar ljus. Och eftersom ljuset inte kan lämna det svarta hålet, kommer informationen också ut. Märkligt nog har fysiker visat teoretisk handfärd och kommit på ett sätt att extrahera en fläck information som föll i ett svart hål. Deras beräkning berör ett av de största mysterierna i fysik: hur all information som fångats i ett svart hål läcker bort när det svarta hålet "förångas". Man tror att detta borde hända, men ingen vet hur.
Emellertid bör det nya systemet snarare betona komplexiteten i informationsproblemet för svarta hål snarare än att lösa det. "Kanske kommer andra att kunna gå längre med detta, men jag tror inte att det kommer att hjälpa", säger Don Page, en teoretiker vid University of Alberta i Edmonton, Kanada som inte var inblandad i arbetet.
Du kan klippa en elräkning, men du kan inte förstöra information genom att kasta den i ett svart hål. Detta beror delvis på att även om kvantmekanik handlar om sannolikheter - som sannolikheten att en elektron finns på ett eller annat ställe - måste kvantvågorna som ger dessa sannolikheter utvecklas på ett förutsägbart sätt, så om du känner till vågformen vid en tidpunkt kan du förutsäga den. exakt när som helst i framtiden. Utan denna "enhetlighet" skulle kvantteorin ge meningslösa resultat som sannolikheter som inte uppgår till 100%.
Låt oss säga att du kastar några kvantpartiklar i ett svart hål. Vid första anblicken går partiklarna och informationen de förlorade. Och detta är ett problem, eftersom den del av kvanttillståndet som beskriver det kombinerade systemet med partiklar och svarta hål har förstörts, vilket gör det omöjligt att förutsäga den exakta utvecklingen och kränker enhetligheten.
Fysiker tror att de har hittat en väg ut. 1974 hävdade den brittiska teoretikern Stephen Hawking att svarta hål kan avge partiklar och energi. Tack vare kvantosäkerhet är tomt utrymme inte riktigt tomt - det är fullt av parade partiklar som regelbundet uppstår och försvinner. Hawking insåg att om ett par partiklar som kommer ut ur vakuumet träffar kanten på ett svart hål, skulle den ena flyga ut i rymden och den andra skulle falla i det svarta hålet. Genom att bära bort det svarta hålets energi får den flyktande Hawking-strålningen att det svarta hålet långsamt avdunstar. Vissa teoretiker tycker att informationen dyker upp igen, kodad i det svarta hålets strålning - detta är dock ett helt obegripligt ögonblick, eftersom strålningen verkar vara helt slumpmässig.
Och så har Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn och Sean Carroll från California Institute of Technology i Pasadena hittat ett bra sätt att få information från en enda kvantpartikel som går förlorad i ett svart hål med hjälp av Hawking-strålning och det konstiga begreppet kvantteleportering.
Kvantteleportering gör det möjligt för två partners, Alice och Bob, att överföra det känsliga kvanttillståndet hos en partikel, som en elektron, till en annan. I kvantteorin kan en elektronns centrifugering vara upp, ner eller upp och ner samtidigt. Detta tillstånd kan beskrivas med en punkt på världen, där nordpolen betyder upp och sydpolen betyder ner. Linjelinjer betyder olika blandningar av upp och ner, och längdlinjer betyder "fas" eller hur toppar och bottnar korsar. Men om Alice försöker mäta detta tillstånd kollapsar det i ett eller annat scenario, uppåt eller nedåt, vilket förstör fasinformationen. Därför kan hon inte mäta staten och skicka information till Bob, utan måste skicka den orörd.
För att göra detta kan Alice och Bob byta ytterligare ett par elektroner anslutna med en speciell kvantbindning - intrassling. Tillståndet för varje partikel i det intrasslade paret definieras inte - det pekar samtidigt till någon punkt på världen - men deras tillstånd är korrelerade, så om Alice mäter sin partikel från paret och upptäcker att den snurrar, säg uppåt, vet hon omedelbart att Bobs elektron vänder från topp till botten. Så Alice har två elektroner - en vars tillstånd hon vill teleportera och hennes hälft av det intrasslade paret. Bob har bara en av ett förvirrande par.
Kampanjvideo:
För att utföra teleportering använder Alice en annan konstig egenskap hos kvantmekaniken: att mätningen inte bara avslöjar något om systemet utan också ändrar dess tillstånd. Därför tar Alice sina två otrasslade elektroner och gör en mätning som "projicerar" det intrasslade tillståndet på dem. Denna mätning bryter sammantrasslingen mellan paret elektroner som hon och Bob har. Men samtidigt leder det till det faktum att Bobs elektron är i det tillstånd där Alice elektron var, som hon var tvungen att teleportera. Genom korrekt mätning överför Alice kvantinformation från ena sidan av systemet till den andra.
Chatwin-Davis och hans kollegor insåg att de också kunde teleportera information om tillståndet för en elektron från ett svart hål. Anta att Alice flyter bredvid ett svart hål med sin elektron. Den fångar en foton från Hawking-strålningsparet. Som en elektron kan en foton snurra i båda riktningar och kommer att trassla in sig med en fotonpartner som faller i ett svart hål. Alice mäter sedan det svarta hålets totala vinkelmoment, eller snurr - dess storlek och, ungefär sett, hur jämnt det är i förhållande till en viss axel. Med dessa två bitar av information i händerna kastar hon sin elektron och tappar den för alltid.
Men Alice kan återställa information om tillståndet för denna elektron, enligt forskare i arbetet med Physical Review Letters. Allt hon behöver göra är att mäta det svarta hålets snurr och orientering igen. Dessa mätningar trasslar sedan in det svarta hålet och den infallande foton. De teleporterar också elektronens tillstånd till foton som fångats av Alice. Således kommer informationen om den förlorade elektronen att extraheras till det observerbara universum.
Chatwin-Davis betonar att detta schema inte är en plan för ett praktiskt experiment. I slutändan kommer Alice att behöva omedelbart mäta snurret på ett svart hål, som har samma massa som solen. "Vi skojar att Alice förmodligen är den mest avancerade forskaren i universum", säger han.
Detta system har också många begränsningar. I synnerhet, som författarna noterar, fungerar det med en kvantpartikel, men inte med två eller flera. Detta beror på att receptet använder det faktum att det svarta hålet bibehåller vinkelmoment, så dess slutliga snurr är lika med dess initiala snurr plus en elektron. Detta gör det möjligt för Alice att extrahera exakt två bitar av information - den totala centrifugeringen och dess projicering längs en axel - och detta räcker för att bestämma latitud och longitud för kvanttillståndet för en partikel. Men det räcker inte för att återställa all information som fångats av det svarta hålet.
För att verkligen lösa problemet med svarta hålsinformation måste teoretiker redogöra för de komplexa tillstånden i det svarta hålets inre, säger Stefan Leichenhower, teoretiker vid University of California, Berkeley. "Tyvärr är de största frågorna om svarta hål om det inre arbetet", säger han. "Så detta protokoll, som verkligen är intressant i sig, kommer förmodligen att berätta lite om informationsproblemet med ett svart hål."
