I buchi neri prendono il loro nome perché la loro gravità è così forte da intrappolare persino la luce. E poiché la luce non può lasciare il buco nero, vengono fuori anche le informazioni. Stranamente, i fisici hanno dimostrato un gioco di prestigio teorico e hanno escogitato un modo per estrarre un granello di informazioni che è caduto in un buco nero. Il loro calcolo tocca uno dei più grandi misteri della fisica: come tutte le informazioni intrappolate in un buco nero fuoriescano mentre il buco nero "evapora". Si ritiene che ciò dovrebbe accadere, ma nessuno sa come.
Tuttavia, il nuovo schema dovrebbe piuttosto enfatizzare la complessità del problema dell'informazione del buco nero, piuttosto che risolverlo. "Forse altri saranno in grado di andare oltre su questo punto, ma non credo che sarà d'aiuto", dice Don Page, un teorico dell'Università di Alberta a Edmonton, in Canada, che non è stato coinvolto nel lavoro.
Puoi tagliare una bolletta dell'elettricità, ma non puoi distruggere le informazioni gettandole in un buco nero. Ciò è in parte dovuto al fatto che sebbene la meccanica quantistica si occupi delle probabilità - come la probabilità che un elettrone si trovi in un posto o nell'altro - le onde quantistiche che danno queste probabilità devono evolversi in modo prevedibile, quindi se conosci la forma d'onda in un punto, puoi prevederla. esattamente in qualsiasi momento in futuro. Senza questa "unitarietà", la teoria quantistica produrrebbe risultati privi di significato come probabilità che non si sommano al 100%.
Diciamo che stai lanciando alcune particelle quantistiche in un buco nero. A prima vista, le particelle e le informazioni che contengono vengono perse. E questo è un problema, poiché la parte dello stato quantistico che descrive il sistema combinato di particelle e buchi neri è stata distrutta, il che rende impossibile prevedere l'evoluzione esatta e viola l'unitarietà.
I fisici pensano di aver trovato una via d'uscita. Nel 1974, il teorico britannico Stephen Hawking ha sostenuto che i buchi neri possono emettere particelle ed energia. Grazie all'incertezza quantistica, lo spazio vuoto non è realmente vuoto: è pieno di particelle accoppiate che periodicamente vengono all'esistenza e scompaiono. Hawking si rese conto che se una coppia di particelle emergenti dal vuoto avesse colpito il bordo di un buco nero, una sarebbe volata nello spazio e l'altra sarebbe caduta nel buco nero. Portando via l'energia del buco nero, la radiazione di Hawking in fuga fa evaporare lentamente il buco nero. Alcuni teorici pensano che l'informazione compaia di nuovo, essendo codificata nella radiazione del buco nero - tuttavia, questo è un momento completamente incomprensibile, poiché la radiazione sembra essere completamente casuale.
E così Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn e Sean Carroll del California Institute of Technology di Pasadena hanno trovato un buon modo per ottenere informazioni da una singola particella quantistica persa in un buco nero usando la radiazione di Hawking e lo strano concetto di teletrasporto quantistico.
Il teletrasporto quantistico consente a due partner, Alice e Bob, di trasferire il delicato stato quantistico di una particella, come un elettrone, a un'altra. Nella teoria quantistica, lo spin di un elettrone può essere diretto su, giù o su e giù allo stesso tempo. Questo stato può essere descritto da un punto sul globo, dove il polo nord significa su e il polo sud significa giù. Le linee di latitudine significano diverse miscele di su e giù, e le linee di longitudine significano "fase", o come le parti superiori e inferiori si intersecano. Ma se Alice cerca di misurare questo stato, "collassa" in uno scenario o nell'altro, su o giù, distruggendo le informazioni di fase. Pertanto, non può misurare lo stato e inviare informazioni a Bob, ma deve inviarle inalterate.
Per fare ciò, Alice e Bob possono scambiare una coppia aggiuntiva di elettroni collegati da uno speciale legame quantistico: l'entanglement. Lo stato di ogni particella nella coppia entangled non è definito - punta simultaneamente a qualsiasi punto del globo - ma i loro stati sono correlati, quindi se Alice misura la sua particella dalla coppia e scopre che sta ruotando, diciamo, verso l'alto, saprà immediatamente che l'elettrone di Bob gira dall'alto verso il basso. Quindi, Alice ha due elettroni: uno di cui vuole teletrasportarsi nello stato e la sua metà della coppia intrecciata. Bob ne ha solo uno di una coppia confusa.
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Per eseguire il teletrasporto, Alice utilizza un'altra strana proprietà della meccanica quantistica: che una misurazione non solo rivela qualcosa sul sistema, ma cambia anche il suo stato. Pertanto, Alice prende i suoi due elettroni non aggrovigliati e fa una misurazione che "proietta" lo stato di entangled su di loro. Questa misurazione scompone l'entanglement tra la coppia di elettroni che lei e Bob hanno. Ma allo stesso tempo, porta al fatto che l'elettrone di Bob si trova nello stato in cui si trovava l'elettrone di Alice, che doveva teletrasportarsi. Attraverso una misurazione corretta, Alice trasferisce le informazioni quantistiche da un lato del sistema all'altro.
Chatwin-Davis ei suoi colleghi si sono resi conto che potevano teletrasportare informazioni sullo stato di un elettrone anche da un buco nero. Supponiamo che Alice fluttui vicino a un buco nero con il suo elettrone. Cattura un fotone dalla coppia di radiazioni Hawking. Come un elettrone, un fotone può ruotare in entrambe le direzioni e sarà intrappolato con un partner fotone che cade in un buco nero. Alice misura quindi il momento angolare totale, o rotazione, del buco nero - le sue dimensioni e, approssimativamente, quanto è esattamente in relazione a un particolare asse. Avendo queste due informazioni nelle sue mani, lancia il suo elettrone, perdendolo per sempre.
Ma Alice può recuperare informazioni sullo stato di questo elettrone, secondo gli scienziati nel lavoro su Physical Review Letters. Tutto quello che deve fare è misurare di nuovo la rotazione e l'orientamento del buco nero. Queste misurazioni poi intrecciano il buco nero e il fotone incidente. Teletrasportano anche lo stato dell'elettrone al fotone catturato da Alice. Pertanto, le informazioni dell'elettrone perso verranno estratte nell'universo osservabile.
Chatwin-Davis sottolinea che questo schema non è un modello per un esperimento pratico. Infine, Alice dovrà misurare istantaneamente la rotazione di un buco nero, che ha la stessa massa del sole. "Scherziamo sul fatto che Alice è probabilmente lo scienziato più avanzato dell'universo", dice.
Questo schema ha anche molte limitazioni. In particolare, come notano gli autori, funziona con una particella quantistica, ma non con due o più. Questo perché la ricetta utilizza il fatto che il buco nero conserva il momento angolare, quindi il suo spin finale è uguale al suo spin iniziale più lo spin di un elettrone. Ciò consente ad Alice di estrarre esattamente due bit di informazioni - lo spin totale e la sua proiezione lungo un asse - e questo è sufficiente per determinare la latitudine e la longitudine dello stato quantistico di una particella. Ma questo non basta per recuperare tutte le informazioni catturate dal buco nero.
Per risolvere veramente il problema dell'informazione del buco nero, i teorici devono tenere conto degli stati complessi dell'interno del buco nero, afferma Stefan Leichenhower, un teorico dell'Università della California, Berkeley. "Sfortunatamente, le domande più grandi sui buchi neri riguardano il funzionamento interno", dice. "Quindi questo protocollo, di per sé certamente interessante, probabilmente ci dirà poco sul problema delle informazioni di un buco nero."
