Как и зачем создавать червоточины в лаборатории? [часть 1. Восстановление информации]

Например, подумайте над такой технологией: взять одну черную дыру, создать вторую черную дыру, которая является квантово запутанной с первой (что означает, что все, что происходит с одной из черных дыр, будет оказывать влияние на другую, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга); после этого подать некоторую информацию в первую черную дыру, закодированную в квантовой частице; по мере того, как частица выходит за горизонт событий - точку, за которой не может выйти даже свет, - информация быстро размазывается по всей поверхности горизонта событий черной дыры и, по-видимому, аккумулируясь на ее поверхности, становится невозможной к восстановлению в данной области пространства.

Но, терпение - если две черные дыры правильно соединены, то после короткого ожидания квантовая информация выскочит из второй, полностью переориентированной в читаемую форму. Чтобы добраться туда, ей придется пройти через пространство-время, которое связывает два объекта – через червоточину.

По крайней мере, так раньше описывали это физики.

Но теперь группа во главе с Сепером Незами (Sepehr Nezami) из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) предложила, как на самом деле выполнить этот необычный эксперимент.

Если прогнозы подтвердятся, работа может дать подсказку о том, где искать самую неуловимую теорию в физике: ту, которая объединяет квантовую механику с теорией общей теории относительности, описывающую гравитацию. И, на самом деле, это подтвердило бы идею о том, что пространство-время не является фундаментальным фоном, на котором разворачиваются события во Вселенной, а само соткано из взаимосвязей между частицами, описываемыми квантовой запутанностью.

Смерть и воскресение информации

Этот эксперимент не требует черных дыр в обычном смысле, то есть массивных звезд, которые коллапсировали под действием собственной гравитации до бесконечно малого объема. Исследователи говорят, что это можно сделать на лабораторном стенде, используя всего несколько атомов или ионов. Тем не менее, идея основана на теоретических исследованиях астрофизических черных дыр, в которых ученые пытаются решить глубокий и тревожный вопрос: уничтожают ли эти всепожирающие монстры информацию необратимо?

Широко распространено мнение, что информация, как и энергия, должна подчиняться правилу сохранения: общий объем информации во Вселенной всегда будет оставаться неизменным. Вот что, по-видимому, подразумевает квантовая механика: волновые функции, которые описывают квантовые объекты, всегда имеют плавную форму и сохраняют информацию и не могут быть внезапно уничтожены.

Но черные дыры, кажется, удаляют информацию из Вселенной. Если, скажем, квантовый бит или «кубит» попадает в черную дыру, его больше нельзя наблюдать за пределами горизонта событий.

Одно из возможных разрешений этого «информационного парадокса черных дыр» можно найти в излучении, которое черные дыры испускают из своих горизонтов событий. Излучение Хокинга, предсказанное Стивеном Хокингом в 1970-х годах, приведет к тому, что черная дыра потеряет гравитационную энергию и, следовательно, массу. По сути, черные дыры не вечны. Они медленно испаряются.

Первоначально Хокинг считал, что даже если черная дыра полностью испарится, информация, которую она потребляет, останется навсегда утраченной. Но идея, известная как соответствие AdS/CFT, показывает, как фотоны излучения Хокинга могут кодировать информацию о внутренней части черной дыры, тем самым передавая эту информацию обратно во Вселенную.

Соответствие AdS/CFT было постулировано физиком-теоретиком Хуаном Малдасеной (Juan Maldacena) в 1997 году, и оно широко рассматривается как одно из наиболее многообещающих направлений развития теорий квантовой гравитации. Это говорит о том, что физическая структура пространства-времени, скажем, в четырех измерениях эквивалентна действию квантовой теории на трехмерной границе.

Эта связь странная, глубокая и удивительная. Она подразумевает, что если вы создаете пространство-время с особым видом кривизны (и, следовательно, гравитации), известным как пространство анти-де Ситтера (это часть AdS - anti-de Sitter), - математическое описание оказывается эквивалентным описанию типа квантовой теории поля и оно называется конформной теорией поля (это часть CFT - conformal field theory), но только в измерении на одно меньше. Проще говоря, соответствие работает как голограмма - вся информация в многомерной проекции пространства-времени кодируется внутри низкоразмерных квантовых взаимодействий. Этот «голографический принцип» был впервые предложен нобелевским лауреатом по физике Джерардом Хоофтом (Gerard Hooft), и соответствие AdS/CFT Мальдасены дало первую конкретную картину того, как он может работать для особой формы пространства-времени.

С этой точки зрения то, что выглядит как непрерывное пространство во вселенной AdS, проявляется в квантовом представлении CFT как запутанность - взаимозависимость квантовых битов. Здесь, по словам Малдасены, «возникновение пространства-времени должно происходить в системах с большим количеством кубитов, которые сильно запутаны и сильно взаимодействуют». Другими словами, квантовая запутанность может создать пространство-время, в котором, похоже, есть гравитация. То есть, согласно этой теории, можно считать, что гравитация исходит от квантовых эффектов.