Physiker haben einen Weg vorgeschlagen, Informationen aus einem Schwarzen Loch zu extrahieren

US-Physiker am California Institute of Technology haben einen theoretischen Weg gefunden , um Informationen über ein in einem Schwarzen Loch gefangenes Teilchen zu extrahieren. Auf lange Sicht kann diese Theorie helfen, das Problem des Verschwindens von Informationen in einem Schwarzen Loch zu lösen, das oft als „Theorem der Haarabwesenheit“ bezeichnet wird.

Der Satz besagt, dass alle nicht rotierenden und ungeladenen schwarzen Löcher derselben Masse nicht voneinander zu unterscheiden sind. Beispielsweise unterscheiden sich ein Schwarzes Loch, das aus dem Gravitationskollaps der Materie erhalten wurde, und ein Schwarzes Loch derselben Masse, das aus dem Gravitationskollaps der Antimaterie erhalten wurde, nicht aus der Sicht eines externen Beobachters. Während des Gravitationskollapses für den externen Beobachter werden somit die Gesetze zur Erhaltung der Quantenzahlen verletzt.

Stephen Hawking sagte 1974 die Existenz von Schwarzlochstrahlung voraus, die später nach ihm benannt wurde. Wenn ein Partikel-Antiteilchen-Paar in der Nähe des Horizonts eines Schwarzen Lochs geboren wird, kann einer von ihnen vermeiden, in das Loch zu fallen und in den umgebenden Raum zu stürzen. Aus der Sicht eines externen Beobachters sieht dieser Prozess wie eine Strahlung des Schwarzen Lochs aus.

Da ein Schwarzes Loch allmählich „verdampfen“ kann, bedeutet dies, dass das Loch zunächst zu einer bestimmten Masse wachsen und dann die richtige Menge an Strahlung emittieren und zur ursprünglichen Masse zurückkehren kann. In diesem Fall wird die emittierte Strahlung in keiner Weise mit Materie und Energie verbunden, die zuvor in das Loch gefallen sind, und ein vermindertes Schwarzes Loch unterscheidet sich nicht von seinem früheren Zustand mit derselben Masse. Das heißt, ein Schwarzes Loch zerstört die darin enthaltenen Informationen vollständig.

Aus quantenmechanischer Sicht ist dies ein Problem. Trotz der Tatsache, dass es mit Wahrscheinlichkeiten arbeitet (zum Beispiel mit der Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron irgendwann befindet), sollten sich die Wellenfunktionen auf jeden Fall vorhersehbar verhalten. Wenn wir die Wellenform zu einem bestimmten Zeitpunkt kennen, sollten wir in der Lage sein, ihre Wellenform zu jedem anderen Zeitpunkt vorherzusagen. Ohne diese Einheitlichkeit würde die Quantentheorie bedeutungslose Ergebnisse liefern - zum Beispiel wäre die Summe aller Wahrscheinlichkeiten nicht 100%.

Amerikanische Physiker argumentieren, dass es möglich ist, Informationen über Teilchen zu extrahieren, die in einem Schwarzen Loch gefangen sind, wenn Sie sowohl die beschriebene Hawking-Strahlung als auch die Quantenteleportation verwenden. Letzteres bedeutet die Übertragung eines Quantenzustands auf eine Entfernung unter Verwendung eines verschränkten Teilchenpaars und eines klassischen Kommunikationskanals, in dem der Zustand des Teilchens am Ausgangspunkt während der Messung zerstört und dann am Empfangspunkt wiederhergestellt wird.

Zum Beispiel müssen zwei Forscher, Asa und Vasya, Informationen über die Rückseite eines Elektrons von einem Elektron zum anderen übertragen. Der Raum der Elektronenspinzustände wird durch die Bloch-Kugel beschrieben, und der Elektronenspin kann durch einen Punkt auf dieser Kugel bezeichnet werden. Aber wenn Asya den Spin direkt misst, wird er in einen von zwei Zuständen zusammenbrechen. Daher muss der Spin ohne Messung übertragen werden.

Dazu benötigen die Forscher ein zusätzliches Paar miteinander verwickelter Partikel. Durch Messen des Zustands eines Teilchens ist es mit 100% iger Wahrscheinlichkeit möglich, den Zustand eines anderen Teilchens herauszufinden. Asya wird also zwei Elektronen haben - eines, dessen Zustand übertragen werden muss, und das andere von einem verwickelten Paar; Vasya wird nur ein Elektron aus einem verwickelten Paar haben.

In der Quantenwelt verändert die Messung den Zustand des Systems. Alice kann zwei ihrer Elektronen nehmen und eine Messung durchführen, die sie in einen verwickelten Zustand führt. Dieses Verfahren wird die Verwirrung zwischen einem ihrer Elektronen und Vasyas Elektron aufheben. Gleichzeitig geht das Vasin-Elektron in den Zustand über, in dem sich Asis Elektron befand - derselbe, dessen Zustand teleportiert werden musste.

Jetzt können Sie zum Schwarzen Loch zurückkehren und sich vorstellen, dass Asya mit ihrem Elektron außerhalb des Ereignishorizonts schwebt. Asya fängt eines der durch Hawking-Strahlung erzeugten Photonen ein, während das zweite Photon, das mit dem ersten Zustand verwechselt wird, in das Loch fällt. Asya misst dann den gesamten Drehimpuls des Schwarzen Lochs und wirft ihr Elektron darauf.

Wenn Asya nun erneut Messungen des Schwarzen Lochs vornimmt, verwechseln diese Messungen das Schwarze Loch mit dem darin fallenden Photon und teleportieren den Zustand des Elektrons zu dem Photon, über das Asya verfügt. Somit erscheinen Informationen über das fehlende Elektron wieder im beobachtbaren Teil des Universums.

Mit einer solchen „Technologie“ können Sie zwar nur Informationen über ein Partikel zurückgeben, das in einem Schwarzen Loch verschwunden ist. Um zur Lösung des Satzes über die „Abwesenheit von Haaren“ zu gelangen, müssen die internen Mechanismen bekannt sein, die in Schwarzen Löchern auftreten. Und genau dies ist die größte und grundlegendste Frage bei der Untersuchung dieser Objekte. Dazu ist es notwendig, eine Quantenbeschreibung der Gravitationswechselwirkung zu entwickeln , die sich den theoretischen Physikern der ganzen Welt bisher entzieht.

Source: https://habr.com/ru/post/de388433/