Categorieën
Astronomie

Pas gevonden wormgat laat informatie ontsnappen uit zwarte gaten.

Natuurkundigen theoretiseren dat een nieuw ‘doorkruisbaar’ soort wormgat een verbijsterende paradox zou kunnen oplossen en informatie zou kunnen redden die in zwarte gaten valt.

In 1985, toen Carl Sagan de roman Contact schreef, moest hij zijn hoofdrolspeler Dr. Ellie Arroway snel van de aarde naar de ster Vega vervoeren. Hij liet haar een zwart gat binnengaan en lichtjaren verder weggaan, maar hij wist niet of dit zin had. De astrofysicus en televisiester van Cornell University raadpleegde zijn vriend Kip Thorne, een expert op het gebied van zwarte gaten bij het California Institute of Technology (die eerder deze maand een Nobelprijs won). Thorne wist dat Arroway Vega niet kon bereiken via een zwart gat, waarvan wordt gedacht dat het alles dat erin valt opsluit en vernietigt. Maar het kwam bij hem op dat ze misschien een ander soort gat zou gebruiken dat in overeenstemming is met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. : een tunnel of ‘wormgat’ die verre locaties in ruimte-tijd met elkaar verbindt.

conceptThomas Müller

Terwijl de eenvoudigste theoretische wormgaten onmiddellijk instorten en verdwijnen voordat er iets kan doorkomen, vroeg Thorne zich af of het mogelijk is voor een “oneindig geavanceerde” sci-fi-beschaving om een wormgat lang genoeg te stabiliseren voor iets of iemand om het te doorkruisen. Hij dacht dat een dergelijke beschaving in feite de keel van een wormgat zou kunnen inleveren met “exotisch materiaal” dat de neiging tot instorting tegenkomt. Het materiaal zou negatieve energie bezitten, die straling zou afbuigen en ruimte-tijd van zichzelf afbakenen. Sagan gebruikte de truc in contact, waarbij de uitvinding van het exotische materiaal toe at eerder, verloren beschaving om te voorkomen dat ze in bijzonderheden worden geraakt. Ondertussen hebben die bijzonderheden door Thorne geboeid, zijn studenten en vele andere natuurkundigen, die jarenlang doorbrachten doorverzekerende wormgaten en hun theoretische implicaties. Ze ontdekten dat deze wormgaten kunnen dienen als tijdmachines, waarbij de tijd-reizen paradoxen aanroepen – bewijs dat exotisch materiaal in de natuur verboden is.

Nu, decennia later, is een nieuwe soort doorkruisbaar wormgat opgedoken, vrij van exotisch materiaal en vol potentieel om natuurkundigen te helpen bij het oplossen van een verbijsterende paradox over zwarte gaten. Deze paradox is precies het probleem dat de vroege versie van Contact plaagde en Thorne ertoe bracht om in de eerste plaats over te steken wormgaten te overwegen; namelijk dat dingen die in zwarte gaten vallen spoorloos lijken te verdwijnen. Dit totale uitwissen van informatie breekt de regels van de kwantummechanica, en het brengt experts zo in verwarring dat sommigen de afgelopen jaren hebben beweerd dat interieurs van zwarte gaten niet echt bestaan – dat ruimte en tijd vreemd genoeg eindigen bij hun horizon.

De vlaag van bevindingen begon vorig jaar met een artikel dat het eerste doorkruisbare wormgat meldde dat geen toevoeging van exotisch materiaal vereist om open te blijven. In plaats daarvan kan volgens Ping Gao en Daniel Jafferis van Harvard University en Aron Wall van Stanford University de afstotende negatieve energie in de keel van het wormgat van buitenaf worden opgewekt door een speciale kwantumverbinding tussen de twee zwarte gaten die de twee monden van het wormgat vormen. . Wanneer de zwarte gaten op de juiste manier met elkaar zijn verbonden, zal iets dat in één gat wordt gegooid langs het wormgat slingeren en, na bepaalde gebeurtenissen in het buitenuniversum, het tweede verlaten. Opmerkelijk genoeg merkten Gao, Jafferis en Wall op dat hun scenario wiskundig equivalent is aan een proces dat kwantumteleportatie wordt genoemd, de sleutel tot kwantumcryptografie en kan worden aangetoond in laboratoriumexperimenten.

John Preskill, expert op het gebied van zwart gat en kwantumzwaartekracht bij Caltech, zegt dat het nieuwe doorkruisbare wormgat als een verrassing komt, met implicaties voor de informatieparadox van het zwarte gat en de binnenkant van het zwarte gat. “Wat ik echt leuk vind,” zei hij, “is dat een waarnemer het zwarte gat kan binnengaan en dan kan ontsnappen om te vertellen wat ze heeft gezien.” Dit suggereert dat interieurs van zwarte gaten echt bestaan, legde hij uit, en dat wat erin gaat, eruit moet komen.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Een cryptische vergelijking

Het nieuwe wormgatwerk begon in 2013, toen Jafferis een intrigerende lezing bijwoonde op de Strings-conferentie in Zuid-Korea. De spreker, Juan Maldacena, een professor in de natuurkunde aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, had onlangs op basis van verschillende hints en argumenten geconcludeerd dat “ER = EPR.” Dat wil zeggen, wormgaten tussen verre punten in de ruimte-tijd, waarvan de eenvoudigste Einstein-Rosen- of “ER” -bruggen worden genoemd, zijn equivalent (zij het op een slecht gedefinieerde manier) met verstrengelde kwantumdeeltjes, ook bekend als Einstein-Podolsky- Rosen- of “EPR” -paren. Het vermoeden van ER = EPR, opgesteld door Maldacena en Leonard Susskind van Stanford, was een poging om de moderne incarnatie van de beruchte informatieparadox van het zwarte gat op te lossen door ruimte-tijdgeometrie, beheerst door de algemene relativiteitstheorie, te koppelen aan de onmiddellijke kwantumverbindingen tussen verre- afzonderlijke deeltjes die Einstein ‘spookachtige actie op afstand’ noemde.

De paradox doemt op sinds 1974, toen de Britse natuurkundige Stephen Hawking vaststelde dat zwarte gaten verdampen en langzaam warmte afgeven in de vorm van deeltjes die nu bekend staan als “Hawking-straling”. Hawking berekende dat deze hitte volledig willekeurig is; het bevat geen informatie over de inhoud van het zwarte gat. Terwijl het zwarte gat uit zijn bestaan verdwijnt, doet het universum dat ook met alles wat erin is gegaan. Dit is in strijd met een principe dat ‘unitariteit’ wordt genoemd, de ruggengraat van de kwantumtheorie, die stelt dat als deeltjes op elkaar inwerken, informatie over hen nooit verloren gaat, alleen vervormd, zodat je als je de pijl van de tijd in de kwantumevolutie van het universum zou omkeren zie dingen ontcijferen tot een exacte herschepping van het verleden.

Bijna iedereen gelooft in unitariteit, wat betekent dat informatie aan zwarte gaten moet ontsnappen – maar hoe? In de afgelopen vijf jaar hebben sommige theoretici, met name Joseph Polchinski van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, betoogd dat zwarte gaten lege hulzen zijn zonder interieur – dat Ellie Arroway, als ze de waarnemingshorizon van een zwart gat zou raken, zou sissen op een “firewall” en weer uitstralen.

Veel theoretici geloven in interieurs van zwarte gaten (en zachtere overgangen over hun horizon), maar om ze te begrijpen, moeten ze het lot ontdekken van de informatie die erin valt. Dit is van cruciaal belang voor het bouwen van een werkende kwantumtheorie van zwaartekracht, de lang gezochte vereniging van de kwantum- en ruimte-tijdbeschrijvingen van de natuur die het scherpst tot uiting komt in interieurs van zwarte gaten, waar extreme zwaartekracht op kwantumschaal werkt.

Daniel Jafferis, an associate professor of physics at Harvard University. (Paul Horowitz)

De kwantumzwaartekrachtverbinding is wat Maldacena, en later Jafferis, naar het ER = EPR-idee en naar wormgaten trok. De impliciete relatie tussen tunnels in ruimte-tijd en kwantumverstrengeling die wordt gevormd door ER = EPR resoneerde met een populaire recente overtuiging dat ruimte in wezen tot bestaan is genaaid door kwantumverstrengeling. Het leek erop dat wormgaten een rol speelden bij het samenvoegen van ruimte-tijd en het laten wurmen van informatie over zwarte gaten uit zwarte gaten – maar hoe zou dit kunnen werken? Toen Jafferis Maldacena hoorde praten over zijn cryptische vergelijking en het bewijs daarvoor, was hij zich ervan bewust dat een standaard ER-wormgat onstabiel en niet doorkruisbaar is. Maar hij vroeg zich af wat de dualiteit van Maldacena zou betekenen voor een doorkruisbaar wormgat zoals dat waar Thorne en anderen decennia geleden mee speelden. Drie jaar na het gesprek in Zuid-Korea presenteerden Jafferis en zijn medewerkers Gao en Wall hun antwoord. Het werk breidt het ER = EPR-idee uit door niet een standaard wormgat en een paar verstrengelde deeltjes gelijk te stellen, maar een doorkruisbaar wormgat en kwantumteleportatie: een protocol dat in 1993 werd ontdekt en waarmee een kwantumsysteem kan verdwijnen en ergens anders ongedeerd weer kan verschijnen.

Toen Maldacena de krant van Gao, Jafferis en Wall las, “vond ik het een heel leuk idee, een van deze ideeën die, nadat iemand het je heeft verteld, duidelijk is”, zei hij. Maldacena en twee medewerkers, Douglas Stanford en Zhenbin Yang, begonnen onmiddellijk met het onderzoeken van de gevolgen van het nieuwe wormgat voor de informatieparadox van het zwarte gat; hun paper verscheen in april. Susskind en Ying Zhao van Stanford volgden dit met een paper over wormgatteleportatie in juli. Het wormgat “geeft een interessant geometrisch beeld van hoe teleportatie plaatsvindt”, zei Maldacena. “De boodschap gaat eigenlijk door het wormgat.”

YouTube filmpje over blackhole.

Duiken in wormgaten

In hun paper, ‘Diving Into Traversable Wormholes’, gepubliceerd in Fortschritte der Physik, beschouwen Maldacena, Stanford en Yang een wormgat van de nieuwe soort dat twee zwarte gaten verbindt: een ouder zwart gat en een dochter gevormd uit de helft van de Hawking-straling afgegeven door de ouder als het verdampt. De twee systemen zijn zo ver mogelijk met elkaar verweven. Hier is het lot van de informatie van het oudere zwarte gat duidelijk: het wurmt zich een weg uit het zwarte gat van de dochter.

Tijdens een interview deze maand in zijn rustige kantoor bij de IAS beschreef Maldacena, een gereserveerde Argentijns-Amerikaan met een trackrecord van invloedrijke inzichten, zijn radicale overpeinzingen. Aan de rechterkant van een krijt-stoffig schoolbord tekende Maldacena een vaag beeld van twee zwarte gaten die verbonden waren door het nieuwe doorkruisbare wormgat. Links schetste hij een kwantumteleportatie-experiment, uitgevoerd door de beroemde fictieve onderzoekers Alice en Bob, die respectievelijk in het bezit zijn van verstrengelde kwantumdeeltjes a en b. Stel dat Alice een qubit q naar Bob wil teleporteren. Ze bereidt een gecombineerde toestand van q en a voor, meet die gecombineerde toestand (reduceert dit tot een paar klassieke bits, 1 of 0), en stuurt het resultaat van deze meting naar Bob. Hij kan dit dan gebruiken als een sleutel om op b te opereren op een manier die de toestand q opnieuw creëert. Voila, een eenheid van kwantuminformatie is van de ene plaats naar de andere geteleporteerd.

Maldacena draaide zich naar de rechterkant van het bord. “Je kunt operaties uitvoeren met een paar zwarte gaten die moreel gelijkwaardig zijn aan wat ik besprak [over kwantumteleportatie]. En op die foto gaat dit bericht echt door het wormgat. ”

Stel dat Alice qubit q in zwart gat A gooit.Ze meet dan een deeltje van zijn Hawking-straling, a, en stuurt het resultaat van de meting door het externe universum naar Bob, die deze kennis kan gebruiken om te opereren op b, een komst van een Hawking-deeltje uit zwart gat B. De operatie van Bob reconstrueert q, dat uit B lijkt te springen, een perfecte match voor het deeltje dat in A viel. Dit is waarom sommige natuurkundigen enthousiast zijn: Gao, Jafferis en Wall’s wormgat zorgen ervoor dat informatie kan worden hersteld van zwarte gaten. In hun paper zetten ze hun wormgat op in een negatief gekromde ruimte-tijd geometrie die vaak dient als een nuttige, zij het onrealistische speelplaats voor kwantumzwaartekrachttheoretici. Hun wormgat-idee lijkt zich echter uit te strekken tot de echte wereld, zolang twee zwarte gaten op de juiste manier met elkaar zijn gekoppeld: “Ze moeten causaal met elkaar verbonden zijn en dan is de aard van de interactie die we hebben genomen het eenvoudigste dat je je kunt voorstellen, ‘Legde Jafferis uit. Als je de Hawking-straling van het ene zwarte gat in het andere laat vallen, raken de twee zwarte gaten verstrengeld en kan de kwantuminformatie die in het ene valt het andere verlaten.

Het kwantumteleportatie-formaat sluit het gebruik van deze doorkruisbare wormgaten als tijdmachines uit. Alles wat door het wormgat gaat, moet wachten op de boodschap van Alice om naar Bob in het buitenuniversum te reizen voordat het Bobs zwarte gat kan verlaten, dus het wormgat biedt geen superluminale boost die kan worden benut voor tijdreizen. Het lijkt erop dat doorkruisbare wormgaten in de natuur zijn toegestaan, zolang ze geen snelheidsvoordeel bieden. “Doorkruisbare wormgaten zijn als het krijgen van een banklening”, schreven Gao, Jafferis en Wall in hun krant: “Je kunt er alleen een krijgen als je rijk genoeg bent om het niet nodig te hebben.”

Een naïeve octopus

Hoewel doorkruisbare wormgaten geen revolutie teweeg zullen brengen in de ruimtevaart, biedt de nieuwe wormgat-ontdekking volgens Preskill “een veelbelovende oplossing” voor de kwestie van de firewall van het zwarte gat door te suggereren dat er geen firewall is aan de horizon van een zwart gat. Preskill zei dat de ontdekking “ wat we ‘complementariteit van het zwarte gat’ noemen, redt, wat betekent dat de binnenkant en de buitenkant van het zwarte gat niet echt twee verschillende systemen zijn, maar eerder twee heel verschillende, complementaire manieren om naar hetzelfde systeem te kijken. ” Als complementariteit blijft bestaan, zoals algemeen wordt aangenomen, zou Ellie Arroway van Contact niets vreemds opmerken bij het passeren van de horizon van een zwart gat van het ene rijk naar het andere. Dit lijkt waarschijnlijker als ze onder bepaalde omstandigheden zelfs helemaal door een Gao-Jafferis-Wall wormgat zou kunnen glijden.

Het wormgat waarborgt ook de eenheid – het principe dat informatie nooit verloren gaat – althans voor de verstrengelde zwarte gaten die worden bestudeerd. Wat in het ene zwart gat valt, verlaat uiteindelijk het andere als Hawking-straling, zei Preskill, die ‘in zekere zin kan worden beschouwd als een zeer vervormde kopie van het interieur van het zwarte gat’.

Als we de bevindingen tot hun logische conclusie trekken, denkt Preskill dat het mogelijk zou moeten zijn (althans voor een oneindig geavanceerde beschaving) om het interieur van een van deze zwarte gaten te beïnvloeden door de straling ervan te manipuleren. Dit “klinkt gek”, schreef hij in een e-mail, maar het “zou logisch kunnen zijn als we de straling, die verstrengeld is met het zwarte gat – EPR -, kunnen beschouwen als verbonden met het binnenste van het zwarte gat door wormgaten – ER. Dan kan het kietelen van de straling een bericht verzenden dat van binnenuit het zwarte gat kan worden gelezen! ” Hij voegde eraan toe: “We hebben echter nog een weg te gaan voordat we deze foto in meer detail kunnen uitwerken.”

Er blijven inderdaad obstakels bestaan in de zoektocht om de nieuwe bevindingen van wormgaten te generaliseren tot een verklaring over het lot van alle kwantuminformatie, of de betekenis van ER = EPR.

In het artikel van Maldacena en Susskind waarin ER = EPR werd voorgesteld, namen ze een schets op die bekend is geworden als de ‘octopus’: een zwart gat met tentakelachtige wormgaten die leiden tot verre Hawking-deeltjes die eruit zijn verdampt. De auteurs legden uit dat de schets illustreert “het verstrikkingpatroon tussen het zwarte gat en de Hawking-straling. We verwachten dat deze verstrengeling leidt tot de interne geometrie van het zwarte gat. ”

Een schets die bekend staat als de “octopus” en die het ER = EPR-idee uitdrukt.

Maar volgens Matt Visser, een wiskundige en algemene relativiteitsexpert aan de Victoria University of Wellington in Nieuw-Zeeland die sinds de jaren negentig wormgaten bestudeert, werkt de meest letterlijke lezing van het octopusbeeld niet. De kelen van wormgaten gevormd uit enkele Hawking-deeltjes zouden zo dun zijn dat qubits er nooit doorheen zouden passen. “Een doorkruisbare wormgatkeel is‘ transparant ’alleen om pakketjes te zwaaien die kleiner zijn dan de keelradius,” legde Visser uit. “Grote golfpakketten kaatsen gewoon tegen elke kleine wormgat in de keel zonder naar de andere kant over te steken.”

Stanford, die samen met Maldacena en Yang het recente artikel schreef, erkende dat dit een probleem is met de eenvoudigste interpretatie van het ER = EPR-idee, waarin elk deeltje Hawking-straling zijn eigen tentakelachtige wormgat heeft. Een meer speculatieve interpretatie van ER = EPR die hij en anderen voor ogen hebben, lijdt hier niet onder. “Het idee is dat om de informatie van de Hawking-straling te herstellen met behulp van dit doorkruisbare wormgat,” zei Stanford, men “de Hawking-straling moet verzamelen en er op een gecompliceerde manier op moet reageren.” Deze gecompliceerde collectieve meting onthult informatie over de deeltjes die erin zijn gevallen; het heeft het effect, zei hij, dat “een groot, doorkruisbaar wormgat wordt gecreëerd uit de kleine en onbehulpzame tentakels van de octopus. De informatie verspreidt zich dan door dit grote wormgat. ” Maldacena voegde eraan toe dat, simpel gezegd, de theorie van de kwantumzwaartekracht een nieuw, algemeen begrip van geometrie zou kunnen hebben waarvoor ER gelijk is aan EPR. “We denken dat de kwantumzwaartekracht aan dit principe moet voldoen”, zei hij. “We zien het meer als een leidraad voor de theorie.”

In zijn populair-wetenschappelijke boek uit 1994, Black Holes and Time Warps, vierde Kip Thorne de manier van redeneren die betrokken is bij wormgatonderzoek. “Geen enkel type gedachte-experiment drijft de wetten van de fysica harder aan dan het type dat wordt geactiveerd door Carl Sagans telefoontje naar mij”, schreef hij; “Gedachte-experimenten die vragen:‘ Welke dingen laten de wetten van de natuurkunde een oneindig geavanceerde beschaving toe, en welke dingen verbieden de wetten? ’”

Dit artikel is herdrukt op Wired.com.


Gerelateerd:

  1. Wormholes Untangle a Black Hole Paradox
  2. How Quantum Pairs Stitch Space-Time
  3. Interactive: What Is Space?
  4. Alice and Bob Meet the Wall of Fire

Gepubliceerd op:

Quanta Magazine

Een artikel van:

Natalie Wolchover


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.