Durch das neue Wurmloch können Informationen aus Schwarzen Löchern entweichen

Physiker haben die Theorie aufgestellt, dass eine neue Art von „passierbaren“ Schwarzen Löchern ein komplexes Paradoxon lösen und Informationen speichern kann, die in Schwarze Löcher gelangt sind

Als Carl Sagan 1985 seinen Roman „Contact“ schrieb, musste er seine Protagonistin Dr. Ellie Arroway schnell von der Erde zum Star Vega bringen. Er machte es so, dass sie in ein schwarzes Loch fiel und ein paar Lichtjahre von ihr entfernt herauskam, aber er verstand nicht, ob eine solche Verschwörung Sinn macht. Der Astrophysiker und renommierte Fernsehmoderator der Cornell University beriet sich mit seinem Freund Kip Thorne , einem Experten für Schwarze Löcher am California Institute of Technology (er gewann kürzlich den Nobelpreis ). Thorne wusste, dass Arroway nicht mit Hilfe eines Schwarzen Lochs nach Vega gelangen konnte, von dem angenommen wird, dass es alles fängt und zerstört, was in es eindringt . Aber er erkannte, dass sie eine andere Art von Loch verwenden könnte, die Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nicht widerspricht: einen Tunnel oder ein Wurmloch, das entfernte Orte der Raumzeit verbindet.

Die einfachsten theoretischen Wurmlöcher fallen sofort zusammen und verschwinden, bevor etwas durch sie hindurchtreten kann. Aber Thorne fragte sich, ob die "unendlich fortgeschrittene" Science-Fiction-Zivilisation das Wurmloch lange genug stabilisieren könnte, damit etwas oder jemand es passieren könnte. Er dachte, dass eine solche Zivilisation einen Tunnel mit „exotischem Material“ anlegen könnte, der dem Zusammenbruch widerstehen würde. Das Material muss eine negative Energie haben, die Strahlung und Raumzeit abstößt. Sagan verwendete diesen Trick in "Contact" und schrieb die Erfindung des exotischen Materials einer früheren, verlorenen Zivilisation zu, um nicht auf Details einzugehen. In der Zwischenzeit wurden diese Details von Thorne, seinen Schülern und vielen anderen Physikern erfasst, die jahrelang passable Schwarze Löcher und ihre theoretischen Anwendungen studierten. Sie fanden heraus, dass diese BHs als Zeitmaschinen dienen und die Paradoxien der Zeitreise verursachen können - und dies ist ein Beweis dafür, dass die Natur die Existenz von exotischem Material verbietet.

Heute, Jahrzehnte später, sind neue Arten von passablen BHs aufgetaucht, die kein exotisches Material benötigen und möglicherweise den Physikern helfen können, das komplexe BH-Paradoxon zu enträtseln. Es war dieses Paradoxon, das die Entwicklung des frühen Kontaktentwurfs verhinderte und Thorne dazu brachte, über passable Schwarze Löcher nachzudenken - nämlich alles, was in das Schwarze Loch fällt, verschwindet spurlos. Das vollständige Löschen von Informationen verstößt gegen die Regeln der Quantenmechanik und führt Experten in eine solche Schwierigkeit, dass einige in den letzten Jahren sogar behaupteten, ein Schwarzes Loch habe überhaupt keine Eingeweide - Raum und Zeit enden auf seltsame Weise an ihrem Horizont.

Eine Flut von Entdeckungen begann im Jahr 2016 mit Arbeiten, die das erste passierbare Wurmloch berichteten, für das keine exotischen Materialien hinzugefügt werden mussten, um offen zu bleiben. Laut Ping Gao und Daniel Jafferis von der Harvard University und Aaron Wall von Stanford kann abstoßende negative Energie im Mutterleib eines Wurmlochs extern durch eine spezielle Quantenbindung zwischen einem Paar schwarzer Löcher erzeugt werden, die zwei Wurmlocheingänge bilden. Wenn die beiden BHs richtig verbunden sind, fliegt etwas, das in eines von ihnen geworfen wird, schnell durch das Wurmloch und springt nach bestimmten Ereignissen im externen Universum aus dem zweiten heraus. Interessanterweise stellten Gao, Jafferis und Wall fest, dass ihre Schrift mathematisch der Quantenteleportation entspricht - dies ist der Schlüssel zur Quantenkryptographie und wurde bereits im Labor demonstriert.

John Preskill , ein Experte für Schwarze Löcher und Quantengravitation von Caltech, sagt, dass die neuen Wurmlöcher, die herumgelaufen sind, eine Überraschung sind und Auswirkungen auf das Informationsparadoxon und das Innere von Schwarzen Löchern haben. "Was mir am besten gefällt", sagt er, "ist, dass der Beobachter das Schwarze Loch betreten und dann von dort weglaufen und erzählen kann, was er gesehen hat." Dies zeigt die Existenz der Innenseiten des BH an und dass alles, was in sie eindringt, zurückgehen sollte.

Geheimnisvolle Gleichung

Die Arbeiten an einem neuen Wurmloch begannen 2013, als Jafferis an einer interessanten Präsentation auf einer String-Konferenz in Südkorea teilnahm. Der Sprecher, Juan Maldacena , Professor für Physik am Princeton Institute for Advanced Studies, schloss aus verschiedenen indirekten Beweisen und Überlegungen, dass ER = EPR . Das heißt, die Wurmlöcher zwischen den entfernten Punkten der Raum-Zeit, von denen die einfachsten als Einstein-Rosen-Brücken oder ER bezeichnet werden, entsprechen (wenn auch nicht auf die offensichtlichste Weise) verschränkten Quantenteilchen, auch bekannt als Einstein-Rosen-Podolsky-Paare, EPR. Die von Maldasena und Leonard Sasskind aus Stanford vorgebrachte ER = EPR-Hypothese versucht, die moderne Version des berüchtigten Informationsparadoxons des Schwarzen Lochs zu lösen, indem TOT-gesteuerte Raum-Zeit-Geometrie mit augenblicklichen Quantenbindungen zwischen entfernungsgetrennten Teilchen assoziiert wird, die Einstein als "erschreckende Fernwirkung" bezeichnete.

Das Paradoxon zeichnet sich seit 1974 ab, als der britische Physiker Stephen Hawking feststellte, dass BHs verdampfen - sie strahlen langsam Wärme in Form von Partikeln ab, die als "Hawking-Strahlung" bekannt sind. Hawking berechnete, dass diese Hitze völlig zufällig war; Es enthält keine Informationen über den Inhalt des Schwarzen Lochs. Und wenn das Schwarze Loch aufhört zu existieren, passiert dasselbe mit der Aufzeichnung des Universums über alles, was in das Schwarze Loch gefallen ist. Dies verstößt jedoch gegen das Prinzip der Einheitlichkeit, die Grundlage der Quantentheorie, die besagt, dass bei der Interaktion von Partikeln Informationen über sie niemals verloren gehen, sondern nur verwechselt werden. Wenn Sie also den Zeitpfeil der Quantenentwicklung des Universums zurückdrehen, werden Sie sehen, wie die Dinge wieder auftauchen und die Vergangenheit genau wiedergeben.


Daniel Jafferis, außerordentlicher Professor für Physik an der Harvard University

Fast jeder glaubt an Einheitlichkeit, daher müssen Informationen einfach vor dem Schwarzen Loch davonlaufen - aber wie? In den letzten fünf Jahren haben einige Theoretiker, insbesondere Joseph Polchinski von der University of California in Santa Barbara, behauptet, Schwarze Löcher seien leere Hüllen ohne Füllung, und Ellie Arroway, die den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs erreicht hatte, würde auf eine „Firewall“ fallen und strahlen zurück.

Viele Theoretiker glauben an die Existenz von BH-Innenseiten (und an glattere Übergänge durch ihren Horizont), aber um sie zu verstehen, müssen sie das Schicksal der Informationen herausfinden, die in sie eindringen. Dies ist notwendig, um eine funktionierende Quantentheorie der Schwerkraft aufzubauen, eine lang ersehnte Kombination aus Quantenphysik und einer Beschreibung der Raumzeit, die sich am deutlichsten in BHs manifestiert, in denen die extreme Schwerkraft auf Quantenskalen arbeitet.

Die Quantengravitation führte Maldasenu und nach ihm Jafferis zur Idee von ER = EPR und Wurmlöchern. Die durch eine Hypothese beschriebene vermeintliche Beziehung zwischen Raum-Zeit-Tunneln und Quantenverschränkung stimmte mit der jüngsten Idee überein, dass Raum mit Quantenverschränkung zusammengefügt wird. Anscheinend spielen Wurmlöcher eine besondere Rolle beim Zusammenfügen von Raum-Zeit und beim Entkommen von Informationen aus dem Schwarzen Loch - aber wie kann das funktionieren? Als Jafferis Maldacenas Bericht über seine mysteriöse Gleichung und seine Argumente hörte, wusste er, dass das Standard-ER-Wurmloch instabil und unpassierbar war. Aber er fragte sich, was die Dualität der Maldasena-Gleichung für ein passables Wurmloch bedeuten könnte - eines, mit dem Thorne und andere vor einigen Jahrzehnten spielten. Drei Jahre nach dem Bericht in Südkorea präsentierten Jafferis und seine Kollegen Gao und Wall ihre Antwort. Ihre Arbeit erweitert die Idee von ER = EPR, indem sie nicht ein Standardwurmloch und ein Paar verwickelter Teilchen gleichsetzt, sondern ein passierbares Wurmloch und eine Quantenteleportation: ein 1993 eröffnetes Gesetz , das es einem Quantensystem ermöglicht, an anderer Stelle unversehrt zu verschwinden und wieder aufzutauchen.

Maldacena las die Arbeit von Gao, Jafferis und Wall: "Es schien mir, dass dies eine sehr gute Idee ist, eine von denen, die offensichtlich erscheint, wenn man davon erfährt." Maldasen und seine Assistenten Douglas Stanford und Zhen-Bin Young begannen sofort, die neu entdeckten Konsequenzen dieser Idee für das Informationsparadoxon von BH zu untersuchen. Ihr neuer Job erschien im April. Susskind und Yin Zhao aus Stanford verfolgten im Juli die Teleportation durch Wurmlöcher. Wurmlöcher „zeichnen ein interessantes geometrisches Bild des Teleportationsprozesses“, sagte Maldacena. "Die Nachricht bewegt sich durch das Wurmloch."


Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt?

In Wurmlöcher tauchen

Beim Eintauchen in passable Wurmlöcher , veröffentlicht in Fortschritte der Physik, betrachten Maldassena, Stanford und Young eine neue Art von Wurmloch, das zwei Schwarze Löcher verbindet: das Elternteil BH und die Tochter BH, die aus der Hälfte von Hawkings Strahlung gebildet werden, die das Elternteil während der Verdunstung emittiert. Zwei Systeme sind maximal verwechselt. Dann ist das Schicksal der Informationen des älteren BH klar: Sie dringen durch das Wurmloch in das Tochter-BH ein.

Während eines Interviews in seinem ruhigen Büro am Maldasen Institute for Advanced Study beschrieb ein stillschweigender Amerikaner argentinischer Abstammung mit mehreren einflussreichen Ideen seine radikalen Gedanken. Rechts von der mit Kreide befleckten Tafel malte Maldassen ein nicht so deutliches Bild von zwei schwarzen Löchern, die durch ein passierbares Wurmloch verbunden waren. Links skizzierte er ein Experiment zur Quantenteleportation, das von den berühmten fiktiven Experimentatoren Alice und Bob durchgeführt wurde und quantenverschränkte Teilchen a bzw. b besaß. Angenommen, Alice möchte ein Qubit q zu Bob teleportieren. Sie bereitet den kombinierten Zustand q und a vor, misst ihn (reduziert alles auf ein Paar klassischer Bits, 1 und 0) und sendet das Messergebnis an Bob. Er kann es dann als Schlüssel verwenden, um an b zu arbeiten und den q-Zustand wiederherzustellen. Und jetzt wird die Einheit der Quanteninformation von einem Ort zum anderen teleportiert.

Maldacena drehte sich zur rechten Seite des Bretts. „Operationen können mit einem Paar BHs durchgeführt werden, die dem entsprechen, was ich Ihnen über Quantenteleportation gesagt habe. Und auf diesem Bild geht die Nachricht wirklich durch das Wurmloch. “


Juan Maldacena

Angenommen, Alice wirft Qubit q auf BH A. Dann misst sie das Hawking-Strahlungsteilchen a und sendet das Messergebnis durch den äußeren Teil des Universums an Bob, der dieses Wissen nutzen kann, um an b zu arbeiten, dem Hawking-Strahlungsteilchen, das aus BH B stammt. Bobs Arbeit erstellt q neu Das scheint aus Loch B herausgesprungen zu sein und passt ideal zu dem, was in A gefallen ist. Deshalb erleben einige Physiker eine so freudige Aufregung darüber: Mit dem Wurmloch Gao, Jafferis und Wall können Sie Informationen aus dem Schwarzen Loch nachbilden. In ihrer Arbeit platzierten sie ihr Wurmloch in einer negativ gekrümmten Raumzeit, die oft als nützliches, wenn auch unrealistisches Feld für Experimente in der Theorie der Quantengravitation dient. Die Idee der Wurmlöcher erstreckt sich jedoch auf die reale Welt, vorausgesetzt, die beiden BHs sind richtig miteinander verbunden: „Sie müssen kausal miteinander verbunden sein, und dann ist die Art der von uns beschriebenen Wechselwirkungen der einfachste Fall, den man sich vorstellen kann“, erklärt Jafferis. Wenn Hawking-Strahlung eines BH in ein anderes fallen darf, verwickeln sich zwei BHs, und die Quanteninformation, die in eines von ihnen fällt, kommt vom anderen.

Das Quantenteleportationsformat verbietet die Verwendung von begehbaren Wurmlöchern als Zeitmaschinen. Alles, was durch das Wurmloch geht, muss warten, bis Alices Nachricht Bob durch das äußere Universum erreicht, bis sie aus Bobs BH herauskommt - das Wurmloch bietet also keine Superluminalgeschwindigkeit, die für Zeitreisen verwendet werden könnte. Anscheinend können begehbare Wurmlöcher in der Natur existieren, solange sie keine Geschwindigkeitsvorteile bieten. "Passable Wurmlöcher sind wie ein Bankkredit", schreiben Gao, Jafferis und Wall in ihrer Arbeit. "Sie können es nur bekommen, wenn Sie reich genug sind, um Sie nicht zu brauchen."

Naiver Tintenfisch

Obwohl passierbare Schwarze Löcher die Raumfahrt nicht revolutionieren werden, argumentiert Preskill, dass die neue Entdeckung eine „vielversprechende Lösung“ für das Problem der Schwarzloch-Firewall darstellt, was darauf hindeutet, dass sich keine Firewall am Horizont befindet. Laut Preskill spart die Entdeckung die „Komplementarität des Schwarzen Lochs“, was bedeutet, dass das Innere und das Äußere von BHs nicht zwei verschiedene Systeme sind, sondern als zwei verschiedene, aber komplementäre Sichtweisen auf dasselbe System dienen. Wenn die Komplementarität bestehen bleibt, wie viele vorgeschlagen haben, hätte Ellie Arroway von Kontakt beim Übergang über den BH-Ereignishorizont von einem Teil des Universums zum anderen nichts Seltsames empfunden. Anscheinend konnte sie unter bestimmten Bedingungen sogar durch das Wurmloch der Gao-Jafferis-Wand schlüpfen.

Das Wurmloch schützt auch die Einheitlichkeit - das Prinzip, dass keine Informationen verloren gehen - zumindest bei den verwirrenden BHs, die derzeit untersucht werden. Alles, was in ein BH fällt, kommt von einem anderen in Form von Hawking-Strahlung, wie Preskill sagt, die dann "als eine sehr stark verschlüsselte Version der Innenräume des BH angesehen werden kann".

Zusammenfassend fasst Preskill die Eröffnung zu einer logischen Schlussfolgerung zusammen und glaubt, dass es möglich sein sollte (zumindest für eine unendlich fortgeschrittene Zivilisation, "das Innere eines dieser BHs durch Manipulation seiner Strahlung zu beeinflussen. Dies" klingt verrückt ", wie er in einem seiner Briefe schrieb, aber "Es kann sinnvoll sein, wenn wir uns daran erinnern, dass die mit dem Schwarzen Loch - EPR - verwechselte Strahlung mit dem Inneren des Schwarzen Lochs mit dem Wurmloch - ER verbunden ist. Dann kann die Strahlungsmanipulation eine Nachricht senden, die im Schwarzen Loch gelesen werden kann! Aber wir haben noch viel zu tun wie können wir m ausführliche Beschreibung dieses Bildes. "

Es gibt viele Hindernisse für die Verallgemeinerung neuer offener Wurmlöcher, um das Schicksal aller Quanteninformationen und den Wert der Gleichung ER = EPR zu beschreiben.


Eine Skizze eines Oktopus, die die Idee von ER = EPR erklärt

Muldasena und Sasskinds Papier, das beweist, dass ER = EPR ist, ist eine Skizze, die als „Oktopus“ bezeichnet wird: ein Schwarzes Loch mit tentakelartigen Wurmlöchern, die zu entfernten Hawking-Partikeln führen, die von ihm emittiert werden. Der Autor erklärt, dass die Skizze die „Verschränkung zwischen BH- und Hawking-Strahlung“ veranschaulicht. Wir glauben, dass diese Verstrickung zur inneren Geometrie des Schwarzen Lochs führt. “

Laut Matt Wisser, Mathematiker und Experte für allgemeine Relativitätstheorie an der Queen Victoria University of Wellington, der seit den 1990er Jahren Wurmlöcher untersucht, besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Skizze eines Oktopus wörtlich zu nehmen. Wurmlöcher, die vor einzelnen Hawking-Partikeln gebildet werden, sind so dünn, dass keine Qubits durch sie kriechen. „Das passierbare Wurmloch ist nur für Wellenpakete transparent, die kleiner als sein Radius sind“, erklärt Visser. "Die großen Wellenpakete werden einfach von den kleinen Wurmlöchern abprallen und nicht auf der anderen Seite zu ihnen übergehen."

Stanford, Co-Autor einer kürzlich erschienenen Arbeit von Muldasena und Young, gibt zu, dass dies ein Problem bei der einfachsten Interpretation der Idee von ER = EPR sein kann, bei der jedes Hawking-Partikel sein eigenes Tentakel-Wurmloch hat. Eine abstraktere Interpretation der Idee, die er und seine Kollegen in Betracht zogen, litt jedoch nicht unter diesem Fehler. "Wir denken, dass es notwendig ist, Hawking-Strahlung an einem Ort zu sammeln und auf ziemlich komplizierte Weise damit zu arbeiten, um Informationen aus Hawking-Strahlung mithilfe passabler Wurmlöcher wiederherzustellen." Eine solche kollektive Messung liefert Informationen über Partikel, die früher in den BH gefallen sind; wie er sagt, hat er „ein großes begehbares Wurmloch aus kleinen, nutzlosen Tentakeln. Dann werden die Informationen durch dieses große Wurmloch übertragen. “ Maldasena fügte hinzu, dass die Theorie der Quantengravitation einfacher eine neue, verallgemeinerte Idee der Geometrie haben könnte, in der ER gleich EPR ist. "Wir denken, die Quantengravitation sollte diesem Prinzip folgen", sagt er. "Wir sehen dies eher als Leitfaden für die Theorie."

In dem populärwissenschaftlichen Buch Black Holes and the Creases of Time von 1994 bewundert Kip Thorne die Argumentation, die in der Wurmlochforschung verwendet wird. „Keine Gedankenexperimente belasten die Gesetze der Physik so stark wie jene, die aufgrund eines Telefonanrufs von Karl Sagan entstanden sind“, schreibt er. „Gedankenexperimente stellen die Frage:„ Unter dem Gesichtspunkt der Gesetze der Physik kann sich eine unendlich fortgeschrittene Zivilisation leisten, und was kann nicht? "