Černé díry dostávají své jméno, protože jejich gravitace je tak silná, že dokonce zachycuje světlo. A protože světlo nemůže opustit černou díru, pak vychází také informace. Kupodivu fyzici prokázali teoretický klam ruky a přišli na způsob, jak extrahovat skvrnu informací, které spadly do černé díry. Jejich výpočet se dotýká jedné z největších tajemství fyziky: jak všechny informace uvězněné v černé díře unikají, jak se černá díra „vypařuje“. Předpokládá se, že by se to mělo stát, ale nikdo neví jak.
Nové schéma by však mělo spíše zdůraznit složitost informačního problému o černé díře, než jej vyřešit. "Možná, že ostatní v tom budou moci jít dál, ale nemyslím si, že by to pomohlo," říká Don Page, teoretik z University of Alberta v Edmontonu v Kanadě, který se práce nezúčastnil.
Můžete snížit účet za elektřinu, ale nemůžete zničit informace vhozením do černé díry. Je to částečně proto, že i když se kvantová mechanika zabývá pravděpodobnostmi - jako je pravděpodobnost, že elektron je na jednom či druhém místě - kvantové vlny, které tyto pravděpodobnosti dávají, se musí vyvíjet předvídatelným způsobem, takže pokud znáte tvar vlny v jednom bodě, můžete ji předpovědět. přesně kdykoli v budoucnosti. Bez této „jednotnosti“by kvantová teorie přinesla nesmyslné výsledky, jako jsou pravděpodobnosti, které nepřesahují 100%.
Řekněme, že vrháte nějaké kvantové částice do černé díry. Na první pohled jsou částice a informace, které obsahují, ztraceny. A to je problém, protože část kvantového stavu, která popisuje kombinovaný systém částic a černých děr, byla zničena, což znemožňuje předvídat přesný vývoj a porušuje unitaritu.
Fyzici si myslí, že našli cestu ven. V roce 1974 britský teoretik Stephen Hawking tvrdil, že černé díry mohou vyzařovat částice a energii. Díky kvantové nejistotě není prázdný prostor opravdu prázdný - je plný spárovaných částic, které pravidelně vznikají a mizí. Hawking si uvědomil, že pokud dvojice částic vycházející z vakua zasáhne okraj černé díry, jedna odletí do vesmíru a druhá spadne do černé díry. Odnášející energii černé díry, unikající Hawkingovo záření způsobí, že se černá díra pomalu vypařuje. Někteří teoretici si myslí, že se informace objevují znovu a jsou zakódovány do záření černé díry - to je však zcela nepochopitelný okamžik, protože záření se zdá být zcela náhodné.
A tak Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn a Sean Carroll z Kalifornského technologického institutu v Pasadeně našli dobrý způsob, jak získat informace z jediné kvantové částice ztracené v černé díře pomocí Hawkingova záření a podivného konceptu kvantové teleportace.
Kvantová teleportace umožňuje dvěma partnerům, Alice a Bobovi, přenést choulostivý kvantový stav jedné částice, jako je elektron, na druhou. V kvantové teorii může být rotace elektronu nahoru, dolů nebo nahoru a dolů současně. Tento stav lze popsat tečkou na zeměkouli, kde severní pól znamená nahoru a jižní pól znamená dolů. Řádky zeměpisné šířky znamenají různé směsi nahoru a dolů a čáry zeměpisné délky znamenají „fázi“nebo to, jak se kříží vrcholy a dna. Pokud se ale Alice pokusí změřit tento stav, „zhroutí se“v jednom či druhém scénáři, nahoru nebo dolů, čímž zničí informace o fázi. Proto nemůže měřit stav a odesílat informace Bobovi, ale musí je posílat nedotčené.
Za tímto účelem si Alice a Bob mohou vyměnit další pár elektronů spojených speciální kvantovou vazbou - zapletením. Stav každé částice v zapleteném páru není definován - současně ukazuje na jakýkoli bod na planetě - ale jejich stavy jsou korelované, takže pokud Alice změří svou částici z dvojice a zjistí, že se točí, řekněme, vzhůru, bude okamžitě vědět, že Bobův elektron otáčí se shora dolů. Alice má tedy dva elektrony - jeden, jehož stav se chce teleportovat, a svou polovinu zapleteného páru. Bob má jen jeden z matoucího páru.
Propagační video:
K provedení teleportace používá Alice další podivnou vlastnost kvantové mechaniky: toto měření nejen odhalí něco o systému, ale také změní jeho stav. Alice proto vezme své dva nezapletené elektrony a provede měření, které na ně „promítne“zapletený stav. Toto měření rozkládá zapletení mezi dvojicí elektronů, které ona a Bob mají. Současně to ale vede k tomu, že Bobův elektron je ve stavu, ve kterém byl Alicin elektron, který musela teleportovat. Správným měřením Alice přenáší kvantové informace z jedné strany systému na druhou.
Chatwin-Davis a jeho kolegové si uvědomili, že mohou teleportovat informace o stavu elektronu také z černé díry. Předpokládejme, že Alice se vznáší vedle černé díry se svým elektronem. Zachycuje jeden foton z Hawkingova radiačního páru. Stejně jako elektron může foton rotovat v obou směrech a bude zapleten s fotonovým partnerem, který spadne do černé díry. Alice pak měří celkovou moment hybnosti neboli rotaci černé díry - její velikost a zhruba řečeno, jak rovnoměrně je ve vztahu k určité ose. S těmito dvěma kousky informací ve svých rukou hodí elektron a ztratí ho navždy.
Ale Alice může získat informace o stavu tohoto elektronu, podle vědců v práci na Physical Review Letters. Jediné, co musí udělat, je znovu změřit rotaci a orientaci černé díry. Tato měření poté zapletou černou díru a dopadající foton. Také teleportují stav elektronu na foton zachycený Alicí. Informace o ztraceném elektronu tedy budou extrahovány do pozorovatelného vesmíru.
Chatwin-Davis zdůrazňuje, že tento design není plánem pro praktický experiment. Nakonec bude Alice muset okamžitě změřit rotaci černé díry, která má stejnou hmotnost jako slunce. "Vtipkujeme, že Alice je pravděpodobně nejpokročilejší vědec ve vesmíru," říká.
Toto schéma má také mnoho omezení. Zejména, jak poznamenávají autoři, pracuje s jednou kvantovou částicí, ale ne se dvěma nebo více. Důvodem je, že recept využívá skutečnost, že černá díra si zachovává moment hybnosti, takže její finální rotace je stejná jako její počáteční rotace plus rotace elektronu. To umožňuje Alici extrahovat přesně dva bity informací - celkovou rotaci a její projekci podél jedné osy - a to stačí k určení zeměpisné šířky a délky kvantového stavu jedné částice. To však nestačí k obnovení všech informací zachycených černou dírou.
Aby bylo možné skutečně vyřešit problém s informacemi o černé díře, musí teoretici vysvětlit složité stavy vnitřku černé díry, říká Stefan Leichenhower, teoretik z UC Berkeley. "Bohužel, největší otázky ohledně černých děr se týkají vnitřního fungování," říká. „Takže tento protokol, který je jistě zajímavý sám o sobě, nám pravděpodobně řekne málo o informačním problému černé díry.“