Lubang cacing baru memungkinkan informasi untuk keluar dari lubang hitam

Fisikawan telah mengemukakan teori bahwa jenis baru lubang hitam yang “lumayan” dapat menyelesaikan paradoks yang kompleks dan menyimpan informasi yang masuk ke lubang hitam.

Pada tahun 1985, ketika Carl Sagan menulis novelnya "Kontak", ia harus segera memindahkan protagonisnya Dr. Ellie Arroway dari Bumi ke bintang Vega. Dia membuatnya sehingga dia jatuh ke dalam lubang hitam dan keluar beberapa tahun cahaya darinya, tetapi dia tidak mengerti apakah plot seperti itu masuk akal. Ahli astrofisika Cornell University dan presenter televisi terkenal berkonsultasi dengan temannya Kip Thorne , seorang ahli lubang hitam di Institut Teknologi California (dia baru-baru ini memenangkan Hadiah Nobel ). Thorne tahu bahwa Arroway tidak bisa sampai ke Vega dengan bantuan lubang hitam, yang diyakini dapat menangkap dan menghancurkan segala sesuatu yang masuk ke dalamnya . Tetapi dia menyadari bahwa dia dapat menggunakan jenis lubang berbeda yang tidak bertentangan dengan teori relativitas umum Einstein: terowongan, atau lubang cacing, yang menghubungkan tempat-tempat terpencil ruang-waktu.

Lubang cacing teoretis paling sederhana segera runtuh dan menghilang sebelum apa pun bisa melewatinya. Tetapi Thorne bertanya-tanya apakah peradaban sci-fi yang "sangat maju" akan mampu menstabilkan lubang cacing cukup lama untuk sesuatu atau seseorang untuk melewatinya. Dia berpikir bahwa peradaban seperti itu bisa mengeluarkan sebuah terowongan dengan "bahan eksotis" yang akan menahan keruntuhan. Bahan tersebut harus memiliki energi negatif yang menolak radiasi dan ruang-waktu. Sagan menggunakan trik ini dalam "Kontak", menghubungkan penemuan bahan eksotis dengan peradaban yang hilang sebelumnya, sehingga tidak masuk ke rincian. Sementara itu, detail yang sama ini ditangkap oleh Thorne, murid-muridnya, dan banyak fisikawan lain yang menghabiskan bertahun-tahun mempelajari lubang hitam yang lumayan dan aplikasi teoretis mereka. Mereka menemukan bahwa BH ini dapat berfungsi sebagai mesin waktu dan menyebabkan paradoks perjalanan waktu - dan ini adalah bukti bahwa alam melarang keberadaan bahan eksotis.

Saat ini, beberapa dekade kemudian, muncul jenis baru BH yang lumayan yang tidak membutuhkan bahan eksotis dan berpotensi dapat membantu fisikawan mengungkap paradoks BH kompleks. Paradoks inilah yang mencegah pengembangan rancangan awal Kontakt dan membuat Thorne berpikir tentang lubang hitam yang bisa dilewati - yaitu, segala sesuatu yang jatuh ke dalam lubang hitam menghilang tanpa jejak. Penghapusan informasi yang lengkap melanggar aturan mekanika kuantum dan membuat para ahli kesulitan sedemikian rupa sehingga dalam beberapa tahun terakhir, beberapa orang bahkan mulai mengklaim bahwa lubang hitam sama sekali tidak memiliki visera - ruang dan waktu berakhir dengan cara yang aneh di cakrawala mereka.

Berbagai penemuan dimulai pada tahun 2016 dengan pekerjaan melaporkan lubang cacing lumayan pertama yang tidak memerlukan penambahan bahan eksotis agar tetap terbuka. Menurut Ping Gao dan Daniel Jafferis dari Universitas Harvard dan Aaron Wall of Stanford, energi negatif tolol dalam rahim lubang cacing dapat dihasilkan secara eksternal oleh ikatan kuantum khusus antara sepasang lubang hitam yang membentuk dua pintu masuk lubang cacing. Jika kedua BH terhubung dengan benar, maka sesuatu yang dilemparkan ke salah satunya akan dengan cepat terbang melalui lubang cacing, dan setelah peristiwa tertentu di alam semesta eksternal, akan melompat keluar dari yang kedua. Menariknya, Gao, Jafferis dan Wall mencatat bahwa skrip mereka secara matematis setara dengan teleportasi kuantum - ini adalah kunci untuk kriptografi kuantum, dan sudah ditunjukkan di laboratorium.

John Preskill , seorang ahli lubang hitam dan gravitasi kuantum dari Caltech, mengatakan lubang cacing baru yang telah berjalan di sekitar adalah kejutan, dan memiliki implikasi untuk paradoks informasi dan bagian dalam lubang hitam. "Yang paling saya sukai," katanya, "adalah bahwa pengamat dapat memasuki lubang hitam dan kemudian melarikan diri dari sana dan memberi tahu apa yang dilihatnya." Ini menunjukkan keberadaan bagian dalam BH dan bahwa segala sesuatu yang masuk ke dalamnya harus dikembalikan.

Persamaan Misterius

Pekerjaan pada lubang cacing baru dimulai pada 2013, ketika Jafferis menghadiri presentasi yang menarik pada konferensi benang di Korea Selatan. Pembicara, Juan Maldacena , profesor fisika di Institut Princeton untuk Studi Lanjut, menyimpulkan dari berbagai bukti dan alasan tidak langsung bahwa ER = EPR . Yaitu, lubang cacing antara titik-titik yang jauh dari ruang-waktu, yang paling sederhana yang disebut jembatan Einstein-Rosen, atau ER, adalah setara (meskipun tidak dengan cara yang paling jelas) untuk partikel-partikel kuantum terjerat, juga dikenal sebagai pasangan Einstein-Rosen-Podolsky, EPR. Hipotesis ER = EPR , dikemukakan oleh Maldasena dan Leonard Sasskind dari Stanford, sedang mencoba untuk memecahkan versi modern dari paradoks informasi lubang hitam yang terkenal dengan menghubungkan TOT yang dikendalikan geometri ruang-waktu dengan ikatan kuantum seketika antara partikel-partikel yang terpisah jarak, yang disebut Einstein sebagai "aksi jarak jauh yang menakutkan."

Paradoks telah menjulang tidak jelas sejak 1974, ketika fisikawan Inggris Stephen Hawking menentukan bahwa BH menguap - mereka perlahan-lahan memancarkan panas dalam bentuk partikel, yang dikenal sebagai "radiasi Hawking." Hawking menghitung bahwa panas ini benar-benar acak; itu tidak mengandung informasi tentang isi lubang hitam. Dan ketika lubang hitam tidak ada lagi, hal yang sama terjadi dengan catatan alam semesta tentang segala sesuatu yang jatuh di dalam lubang hitam. Tetapi ini melanggar prinsip unitaritas, dasar teori kuantum, yang mengklaim bahwa ketika partikel berinteraksi, informasi tentang mereka tidak pernah hilang, itu hanya tercampur, sehingga jika Anda memutar panah waktu evolusi kuantum Semesta kembali, Anda akan melihat bagaimana segala sesuatu muncul kembali, secara akurat menciptakan kembali masa lalu.


Daniel Jafferis, profesor fisika di Universitas Harvard

Hampir semua orang percaya pada kesatuan, oleh karena itu informasi hanya diharuskan untuk melarikan diri dari lubang hitam - tetapi bagaimana caranya? Selama lima tahun terakhir, beberapa ahli teori, khususnya Joseph Polchinski dari University of California di Santa Barbara, telah mengklaim bahwa lubang hitam adalah kerang kosong tanpa mengisi, dan Ellie Arroway, setelah mengenai cakrawala peristiwa lubang hitam, akan jatuh pada "firewall" dan memancarkan kembali.

Banyak ahli teori percaya pada keberadaan bagian dalam BH (dan transisi yang lebih mulus melalui cakrawala mereka), tetapi untuk memahaminya, mereka perlu mengetahui nasib informasi yang masuk ke dalam. Ini diperlukan untuk membangun teori gravitasi kuantum yang berfungsi, kombinasi fisika kuantum yang telah lama dicari, dan deskripsi ruang-waktu, yang paling nyata dimanifestasikan dalam BH, di mana gravitasi ekstrem bekerja pada skala kuantum.

Gravitasi kuantum mengarahkan Maldasenu, dan setelahnya Jafferis, ke gagasan ER = EPR dan lubang cacing. Hubungan yang diduga antara terowongan ruang-waktu dan keterikatan kuantum, dijelaskan oleh sebuah hipotesis, bertepatan dengan gagasan baru-baru ini bahwa ruang dijahit bersama dengan keterikatan kuantum. Rupanya, lubang cacing memiliki peran khusus dalam menjahit ruang-waktu dan dalam melarikan diri informasi dari lubang hitam - tetapi bagaimana ini bisa bekerja? Ketika Jafferis mendengar laporan Maldacena tentang persamaan misterius dan argumennya, dia tahu bahwa lubang cacing ER standar tidak stabil dan tidak bisa dilewati. Tetapi dia bertanya-tanya apa yang mungkin berarti dualisme dari persamaan Maldasena untuk lubang cacing yang lumayan - yang digunakan Thorne dan yang lainnya bermain beberapa dekade yang lalu. Tiga tahun setelah laporan di Korea Selatan, Jafferis dan koleganya Gao dan Wall mempresentasikan jawaban mereka. Pekerjaan mereka memperluas ide ER = EPR dengan menyamakan bukan lubang cacing standar dan sepasang partikel terjerat, tetapi lubang cacing lumayan dan teleportasi kuantum: hukum yang dibuka pada tahun 1993 yang memungkinkan sistem kuantum untuk menghilang dan muncul kembali tanpa terluka di tempat lain.

Maldacena membaca karya Gao, Jafferis, dan Wall: "Bagi saya ini adalah ide yang sangat bagus, salah satu yang tampak jelas ketika Anda mengetahuinya." Maldasen dan asistennya, Douglas Stanford dan Zhen-Bin Young, segera mulai mempelajari konsekuensi yang baru ditemukan dari ide ini untuk paradoks informasi BH; pekerjaan baru mereka muncul pada bulan April. Susskind dan Yin Zhao dari Stanford menindaklanjuti teleportasi melalui lubang cacing pada bulan Juli. Lubang cacing "melukiskan gambaran geometris yang menarik dari proses teleportasi," kata Maldacena. "Pesannya bergerak melalui lubang cacing."


Apa yang terjadi saat jatuh ke lubang hitam

Menyelam ke lubang cacing

Dalam Diving Into Passable Wormhole , diterbitkan di Fortschritte der Physik, Maldassena, Stanford dan Young mempertimbangkan jenis baru lubang cacing yang menghubungkan dua lubang hitam: induk BH dan anak perempuan BH, terbentuk dari setengah radiasi Hawking yang dipancarkan oleh induk selama penguapan. Dua sistem dikacaukan secara maksimal. Kemudian nasib informasi dari BH yang lebih tua jelas: ia menembus melalui lubang cacing ke anak perusahaan BH.

Selama wawancara di kantornya yang tenang di Institut Maldassen untuk Studi Lanjut, seorang Amerika keturunan Argentina yang diam-diam, dengan beberapa gagasan berpengaruh di belakangnya, menggambarkan pemikiran radikalnya. Di sebelah kanan papan tulis bernoda kapur, Maldassen melukis gambar yang tidak terlalu berbeda dari dua lubang hitam yang bergabung dengan lubang cacing yang lumayan. Di sebelah kiri, ia membuat sketsa eksperimen tentang teleportasi kuantum, yang dilakukan oleh para peneliti fiksi terkenal, Alice dan Bob, yang masing-masing memiliki partikel terjerat kuantum a dan b. Misalkan Alice ingin memindahkan qubit q ke Bob. Dia menyiapkan negara gabungan q dan a, mengukurnya (mengurangi segalanya menjadi sepasang bit klasik, 1 dan 0), dan mengirimkan hasil pengukuran ke Bob. Dia kemudian dapat menggunakannya sebagai kunci untuk bekerja pada b untuk menciptakan kembali status q. Dan sekarang unit informasi kuantum dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain.

Maldacena menoleh ke sisi kanan papan. “Operasi dapat dilakukan dengan sepasang BH yang setara dengan apa yang saya katakan tentang teleportasi kuantum. Dan dalam gambar ini, pesannya benar-benar melewati lubang cacing. ”


Juan Maldacena

Misalkan Alice melempar qubit q pada BH A. Kemudian ia mengukur partikel radiasi Hawking a dan mengirimkan hasil pengukuran melalui bagian luar Semesta ke Bob, yang dapat menggunakan pengetahuan ini untuk bekerja pada b, partikel radiasi Hawking yang berasal dari BH B. Karya Bob menciptakan kembali q , yang tampaknya telah melompat keluar dari lubang B, dan idealnya cocok dengan apa yang jatuh ke A. Itulah mengapa beberapa fisikawan mengalami kegembiraan yang begitu gembira tentang hal ini: lubang cacing Gao, Jafferis dan Wall memungkinkan Anda untuk membuat kembali informasi dari lubang hitam. Dalam pekerjaan mereka, mereka menempatkan lubang cacing mereka dalam ruang-waktu melengkung negatif, yang sering berfungsi sebagai bidang yang berguna, meskipun tidak realistis, untuk percobaan dalam teori gravitasi kuantum. Namun, gagasan lubang cacing meluas ke dunia nyata, asalkan kedua BH terhubung dengan cara yang benar: "Mereka harus terhubung secara kausal, dan kemudian sifat interaksi yang kami gambarkan akan menjadi kasus paling sederhana yang dapat dibayangkan," Jafferis menjelaskan. Jika radiasi Hawking dari satu BH dibiarkan jatuh ke yang lain, maka dua BH menjadi terjerat, dan informasi kuantum jatuh ke salah satu dari mereka berasal dari yang lain.

Format teleportasi kuantum melarang penggunaan wormhole walkable sebagai mesin waktu. Segala sesuatu yang melewati lubang cacing harus menunggu sampai pesan Alice mencapai Bob melalui alam semesta luar, sampai dia bisa keluar dari Bob BH - sehingga lubang cacing tidak memberikan kecepatan superluminal yang dapat digunakan untuk perjalanan waktu. Rupanya, lubang cacing walkable bisa ada di alam, selama mereka tidak memberikan keuntungan kecepatan. “Lubang cacing yang lumayan seperti pinjaman bank,” tulis Gao, Jafferis, dan Wall dalam pekerjaan mereka. "Kamu hanya bisa mendapatkannya ketika kamu cukup kaya untuk tidak membutuhkanmu."

Gurita naif

Meskipun lubang hitam yang bisa dilewati tidak akan merevolusi perjalanan ruang angkasa, Preskill berpendapat bahwa penemuan baru ini memberikan "solusi yang menjanjikan" untuk masalah firewall lubang hitam, menunjukkan bahwa tidak ada firewall di cakrawala mereka. Preskill mengatakan penemuan ini menyelamatkan "saling melengkapi lubang hitam," yang berarti bahwa bagian dalam dan luar BH bukan dua sistem yang berbeda, tetapi berfungsi sebagai dua cara berbeda tetapi saling melengkapi dalam melihat sistem yang sama. Jika saling melengkapi tetap ada, seperti yang banyak disarankan, maka ketika bergerak melintasi horizon peristiwa BH dari satu bagian Semesta ke yang lain, Ellie Arroway dari Kontakt tidak akan merasakan sesuatu yang aneh. Rupanya, dalam kondisi tertentu, dia bahkan bisa menyelinap melalui lubang cacing Gao-Jafferis-Wall.

Wormhole juga melindungi unitaritas - prinsip tidak ada kehilangan informasi - setidaknya dalam kasus BH yang membingungkan yang saat ini sedang dipelajari. Segala sesuatu yang jatuh ke dalam satu BH berasal dari yang lain dalam bentuk radiasi Hawking, seperti yang dikatakan Preskill, yang kemudian "dapat dianggap sebagai versi interior BH yang sangat terenkripsi."

Merangkum pembukaan untuk kesimpulan logis, Preskill percaya bahwa itu harus mungkin (setidaknya untuk peradaban maju yang tak terbatas "untuk mempengaruhi interior salah satu dari BH ini dengan memanipulasi radiasi. Ini" terdengar gila, "ketika ia menulis dalam salah satu suratnya, tetapi "Mungkin masuk akal jika kita ingat bahwa radiasi dikacaukan dengan lubang hitam - EPR - terhubung dengan bagian dalam lubang hitam dengan lubang cacing - ER. Kemudian manipulasi radiasi dapat mengirim pesan yang dapat dibaca di dalam lubang hitam! Tapi kita masih memiliki banyak pekerjaan yang harus dilakukan bagaimana kita bisa m rinci deskripsi gambar ini. "

Ada banyak kendala untuk menggeneralisasi lubang cacing terbuka baru untuk menggambarkan nasib semua informasi kuantum dan nilai persamaan ER = EPR.


Sebuah sketsa gurita yang menjelaskan ide ER = EPR

Makalah Muldasena dan Sasskind, membuktikan bahwa ER = EPR, adalah sebuah sketsa yang disebut “gurita”: lubang hitam dengan lubang cacing seperti tentakel yang mengarah ke partikel Hawking yang jauh yang dipancarkan darinya. Penulis menjelaskan bahwa sketsa tersebut menggambarkan “keterikatan antara BH dan radiasi Hawking. Kami percaya bahwa keterikatan ini mengarah pada geometri internal lubang hitam. "

Tetapi, menurut Matt Wisser, ahli matematika dan ahli relativitas umum di Universitas Queen Victoria di Wellington, yang telah mempelajari lubang cacing sejak 1990-an, tidak perlu mengambil sketsa gurita secara harfiah. Lubang cacing yang terbentuk sebelum masing-masing partikel Hawking akan sangat tipis sehingga qubit tidak akan merayap melaluinya. “Lubang cacing yang dapat dilewati hanya transparan untuk paket gelombang yang lebih kecil dari ukuran jari-jarinya,” jelas Visser. "Paket gelombang besar hanya akan memantul dari lubang cacing kecil, dan tidak akan menyeberang ke mereka di sisi lain."

Stanford, rekan penulis dari sebuah karya baru-baru ini oleh Muldasena dan Young, mengakui bahwa ini bisa menjadi masalah dalam interpretasi paling sederhana dari ide ER = EPR, di mana setiap partikel Hawking memiliki lubang cacing tentakelnya sendiri. Namun, interpretasi yang lebih abstrak dari ide yang ia dan rekan-rekannya pertimbangkan tidak menderita cacat ini. "Kami berpikir bahwa untuk memulihkan informasi dari radiasi Hawking menggunakan lubang cacing yang dapat dilewati, perlu untuk mengumpulkan radiasi Hawking di satu tempat dan bekerja dengannya dengan cara yang agak rumit." Pengukuran kolektif semacam itu memberikan informasi tentang partikel yang telah jatuh di BH sebelumnya; seperti yang dia katakan, dia memiliki “lubang cacing besar yang bisa dilalui yang terbuat dari tentakel kecil yang tidak berguna. Kemudian informasi tersebut dikirimkan melalui lubang cacing besar ini. " Maldasena menambahkan bahwa, lebih sederhana, teori gravitasi kuantum mungkin memiliki gagasan geometri baru yang digeneralisasi, di mana ER sama dengan EPR. "Kami pikir gravitasi quantum harus mematuhi prinsip ini," katanya. "Kami melihat ini lebih sebagai pedoman teori."

Dalam buku sains populer 1994 Black Holes and the Creases of Time , Kip Thorne mengagumi alasan yang digunakan dalam penelitian lubang cacing. "Tidak ada eksperimen pemikiran yang membebani hukum fisika seperti yang muncul akibat panggilan telepon oleh Karl Sagan," tulisnya, "eksperimen pemikiran yang mengajukan pertanyaan:" Dari sudut pandang hukum fisika, sebuah peradaban maju yang tak terhingga mampu, dan apa yang tidak bisa? "