En aflytning, der gemmer sig inde i et sort hul
En observatør, der gemmer sig inde i et sort hul, kan aflytte kvanteobjekter uden for det
Kvantet aflytning er mulig på tværs af en sort huls begivenhedshorisont, en af de mest uigennemtrængelige kosmiske grænser – i det mindste i en retning.
Daine Danielson ved University of Chicago, Illinois, ville vide, hvordan strukturen i rumtid, stoffet i vores virkelighed, påvirker kvanteobjekter. Dette førte ham og hans kolleger til et tankeeksperiment, hvor to mennesker, Alice og Bob, ender med at adskille sig af et af rumtidens mest ekstreme genstande.
Alice har et kvanteobjekt og sætter det i en “superposition”, der kombinerer to af dens almindelige tilstande på en måde, der kun kan eksistere i kvanteområdet. Bob vil skjult indhente oplysninger om Alice’s objekt. ”Han vil ikke blive fanget, men han er klog, og han er klar over, at han kunne gemme sig inde i et sort hul,” siger Danielson. Fysikere er enige om, at oplysninger ikke kan undslippe et sort hul, men Danielson og hans team ville vide, om Bob stadig på en eller anden måde kunne nå sit mål. De ankom til en matematisk streng “ja” ved at vende sig til kvanteinformationsteori.
Kvantesuperpositioner er skrøbelige, så udefra påvirkninger, såsom små forstyrrelser fra miljøet eller målingerne af uærlige agenter som Bob, kan få dem til at ændre sig fra superpositionen til en enkelt, ikke-blandet tilstand. Denne proces kaldes decoherence.
Forskerne beviste matematisk, at de oplysninger, som Bob kan opnå fra det sorte hul, nøjagtigt matcher omfanget af decoherence, som Alice ville observere i sit objekt på ydersiden. Danielson præsenterede arbejdet den 17. marts på American Physical Society Global Physics Summit i Californien.
Deres beregninger viste, at når Bob forstyrrer kvantetilstanden for Alice’s objekt, ville det altid se ud til Alice, som om han uddragede så meget information fra det, som fysikken er tilladt. Danielson siger, at dette fortæller os to ting om sorte huller. Påfaldende indebærer det, at ethvert sort hul er nødt til at decohere superpositioner i dens nærhed. Dette skyldes, at hvis Alice kunne udlede, at den decoherence, hun ser, skyldes Bob’s aflytning, ville hun lære noget endeligt om det sorte huls interiør, som altid skal forblive skjult i henhold til vores bedste tyngdekraftsteorier. Det fortæller os også, at sorte huller skal kollapse kvantetilstande omkring dem ved at udtrække så meget information om information.
Alex Lupsasca ved Vanderbilt University i Tennessee siger, at forskere allerede vidste, at sorte huller er mestre af ekstrem kosmiske opførsel, men den nye arbejdsplads peger på “endnu en måde, hvorpå de er de bedste til alt, hvad de gør: sorte huller kan ødelægge kvante superpositioner med deres stærke tyngdekraft, og de gør det på den hurtigst mulige måde”.
Holdet foreslår også, at denne proces kræver, at der findes ekstremt lavenergipartikler overalt i rummet omkring sorte huller. Lupsasca siger, at det at studere disse partikler bør være en del af bestræbelserne på at formulere en teori om kvantetyngdekraft – den undvigende kombination af kvanteteori og Albert Einsteins teori om generel relativitet i en teori om alting.
”Da sorte huller spiller en så vigtig rolle i de største åbne spørgsmål om kvantetyngdekraft, er det vigtigt at have en klar forståelse af, hvordan deres kvantevirkninger adskiller sig fra almindelige kroppe,” siger Sam Gralla ved University of Arizona. Han siger, at kandidatteorier for kvantetyngdekraft kunne testes og benchmarkeres mod forskernes beregninger.
For Danielson er det nye værk et skridt hen imod at forbinde strukturen i rumtid til strømmen af kvanteinformation. For eksempel, hvis Bob gemte sig inde i en sfærisk skal lavet af almindeligt stof i stedet for et sort hul, ville informationsstrømmen mellem ham og Alice variere. Dette kan betyde, at strukturen i rumtid ikke er grundlæggende, men en konsekvens af de love, der styrer, hvordan kvanteoplysninger kan udveksles. ”Der er et håb om, at dette kan give os en vis indsigt i den måde, hvorpå rum og tid selv kunne komme ud af informationsteoretiske principper,” siger Danielson.