Tunele czasoprzestrzenne rozplątują paradoks czarnej dziury

Napisane przez Amon w Październik - 13 - 2019

“Sto lat po stworzeniu przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względność, fizycy ciągle znajdują się w martwym punkcie jeśli chodzi o rozwikłanie prawdopodobnie największego paradoksu we wszechświecie. Gładko zakrzywiony krajobraz czasoprzestrzeni, który nakreślił Eisntein, jest niczym obraz Salvadora Dali – gładki, ciągły, geometryczny. Jednak, cząstki kwantowe znajdujące się w tej przestrzeni są bardziej niczym twórczość Georges Seurat: puentylistyczne, dyskretne, opisywane prawdopodobieństwem. Oba te opisy przeczą sobie nawzajem. Jednak odważny ostatni sposób myślenia sugeruje, że kwantowe korelacje pomiędzy plamkami impresjonistycznej farby w rzeczywistości tworzą nie tylko krajobraz Dalí’ego, ale także trójwymiarową przestrzeń wokół nich. Tylko Einstein, jak to często już bywało, siedzi w centrum tego wszystkiego, i zza grobu wciąż ukazuje sprawy odwrotnie.

Nowy pomysł, którego nazwa, wyglądająca podobnie jak wyryte w drzewie inicjały, tj. ER = EPR, jest skrótem łączącym dwie idee zaproponowane przez Einsteina w 1935 roku. Jedna z nich dotyczyła paradoksu wynikającego z tzw. “upiornego działania na odległość” pomiędzy cząstkami kwantowymi (czyli paradoksu EPR, nazwanego od nazwisk jego autorów, Einsteina, Borysa Podolskiego i Nathana Rosena.) Druga ukazała w jaki sposób dwie czarne dziury odległe od siebie mogą być połączone „tunelami” w przestrzeni (czyli tzw. most Einsteina-Rosena, ER). W czasie, gdy Einstein przedstawił te koncepcje – i przez większą część następnych ośmiu dekad – były one uważane za całkowicie niepowiązane.

Jeśli jednak relacja ER = EPR jest poprawna, idei tych nie można pojmować oddzielnie – są dwiema manifestacjami tego samego. Ta podstawowa relacja miałaby stanowić podstawę struktury całej czasoprzestrzeni. Splątanie kwantowe – działanie na odległość, które tak bardzo martwiło Einsteina – może być kreowaniem “przestrzennej łączności”, która “zszywa przestrzeń”, jak twierdzi Leonard Susskind, fizyk z Stanford University i jeden z głównych architektów tej idei. Bez tych połączeń cała przestrzeń kosmiczna “rozpadłaby się”, jak twierdzi Juan Maldacena, fizyk z Institute for Advanced Study in Princeton, N.J., który opracował ten pomysł wspólnie z Susskindem. “Innymi słowy, solidna i niezawodna struktura czasoprzestrzeni wynika z upiornych cech splątania”, stwierdził. Co więcej, ER = EPR ma potencjał, by zająć się tym, w jaki sposób grawitacja łączy się z mechaniką kwantową.

Oczywiście, nie wszyscy kupują ten pomysł (i nie powinni; koncepcja jest ciągle w “powijakach”, powiedział Susskind.) Joe Polchinski, pracownik naukowy Kavli Institute for Theoretical Physics at the University of California, Santa Barbara, którego niesamowity paradoks o firewallach w czarnych dziurach wyzwolił najnowsze przemyślenia, jest ostrożny, ale zaintrygowany. “Nie wiem, dokąd to doprowadzi”, stwierdził, “ale jest to fascynujący okres”.

Wojny o czarne dziury

Droga do ER = EPR wiedzie przez poskręcaną, poplątaną, zawracającą ku sobie wstęgę Mobiusa, zupełnie jak na rysunku M.C. Escher.

Odpowiednim punktem wyjścia dla niniejszych rozważań będzie pojęcie splątania kwantowego. Jeśli dwie cząstki kwantowe są splątane, stają się w efekcie dwiema częściami pojedynczej jednostki (single unit). Wszystko co wydarzy się jednej ze splątanych cząstek, przydarzy się drugiej, nie ważne przy tym jak daleko od siebie będą się one znajdować.
Maldacena używa w tym kontekście czasem analogii z parą rękawic: jeśli natrafisz na prawą rękawicę wiesz natychmiast, że druga będzie lewa. Nie ma w tym nic upiornego. Jednak w kwantowej wersji obie rękawicę są równocześnie lewe i prawe (i wszystko co znajduje się pomiędzy) do momentu kiedy ktoś nie spróbuje dokonać ich obserwacji. Bardziej upiorne jeszcze może się wydawać to, że lewa rękawica nie stanie się lewą dopóki nie zaobserwujesz prawej – wtedy jednak momentalnie obie staną się dokładnie określone.

Splątanie odegrało główną rolę w odkryciu przez Stephena Hawkinga w 1974 r. możliwości „parowania czarnych dziur”. Zaangażowane w to były także splątane pary cząstek. Te krótko żyjące cząstki „wirtualne” materii i antymaterii pojawiają się i znikają w przestrzeni kosmicznej. _[Komentarz: Zdanie powyższe jest nieprecyzyjną, często powtarzaną w publikacjach popularno -naukowych wizualizacją „cząstek wirtualnych” mogącą powodować mylne ich postrzeganie. Hawking zauważył, iż jeśli jedna cząstka wpadnie do czarnej dziury, a drugiej uda się uciec, dziura będzie emitować promieniowanie niczym gasnący bursztyn. Przy odpowiedniej ilości czasu, czarna dziura powinna całkowicie odparować prowokując jednak pytanie o zawartość informacyjną, która znajdowała się wewnątrz niej.

Zasady rządzące mechaniką kwantową zabraniają jednak całkowitego zniszczenia informacji. (Sprawa nieudolnego szyfrowania informacji to już inna historia, sprawiająca, że wszelkie dokumenty można spalić, a dyski twarde zniszczyć. Prawa fizyki jednak, przynajmniej w podstawach, nie zawierają żadnego zakazu uniemożliwiającego odtworzenie informacji straconych z dymem czy popiołem z książki.) Pytanie się więc rodzi następujące: czy informacja, która trafiła do czarnej dziury, zostanie w pewien sposób tylko zaszyfrowana? Czy też będzie całkowicie utracona? Takie rozważania wywołały, nazwane przez Susskinda, „wojny o czarne dziury”, które doprowadziły do powstania niezliczonej ilości historii mogących zapełnić wiele książek. (Pozycja Susskinda nosiła tytuł: „Bitwa o czarne dziury. Moja walka ze Stephenem Hawkingiem o uczynienie świata przyjaznym mechanice kwantowej.”)

Ostatecznie Susskind – w odkryciu, które wstrząsnęło nawet nim samym – zdał sobie sprawę (razem z Gerard ‘t Hooft’em), że wszelka informacja opadająca na czarną dziurę faktycznie uwięziona zostaje na dwuwymiarowym horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, powierzchni oznaczającej punkt bez powrotu. Horyzont miał na powierzchni zakodowane wszystko ze środka, zupełnie jak hologram. Wyglądało to tak, jakby wszystkie elementy potrzebne do odtworzenia domu i wszystkiego co się w nim znajdowało, mieściłyby się na jego ścianach. Informacja nie została utracona – była po prostu zakodowana i przechowywana poza zasięgiem.

Susskind kontynuował pracę and tą koncepcją z Maldaceną, który nazywał Susskinda „mistrzem”, oraz innymi. Holografia zaczęła być wykorzystywana nie tylko do rozumienia czarnych dziur, ale do pojmowania każdego regionu przestrzeni, który może być opisany jej granicami. W ciągu ostatnich lat z pozornie szalonego pomysłu na przestrzeń w rodzaju hologramu, powstało dosyć monotonne narzędzie współczesnej fizyki, używane do wszystkiego, począwszy od kosmologii po materię skondensowaną. “Jedną z rzeczy przytrafiającą się ideom naukowym jest to, że często przechodzą one drogę od szalonych hipotez, przez rozsądne hipotezy, aż po narzędzia pracy” – powiedział Susskind. “To staje się rutyną”.
Holografia skoncentrowała się na tym, co dzieje się na granicach, włączając w to horyzonty zdarzeń czarnych dziur. To pozwoliło postawić pytanie o to, co dzieje się w ich wnętrzach, powiedział Susskind, a odpowiedź na to “cały czas znajdowała się na powierzchni”. Koniec końców, z uwagi, iż żadna informacja nigdy nie mogła uciec z horyzontu zdarzeń czarnej dziury, prawa fizyki uniemożliwiły naukowcom bezpośrednie przetestowanie tego, co mogłoby się dziać we wnętrzu czarnej dziury.

Jednak w 2012 roku Polchinski, oraz Ahmed Almheiri, Donald Marolf and James Sully, wszyscy w tym samym czasie znajdujący się w Santa Barbara, wpadli na pomysł zaskakujący i w zasadzie mówiący fizykom: wstrzymajcie wszystko. Nic nie wiemy.

W tzw. artykule AMPS (od inicjałów autorów) zaprezentowano zawiły paradoks splątania – tak ekstrawagancki, że sugerował, iż czarne dziury mogą nie mieć nic wewnątrz, gdyż “firewall” znajdujący się tuż za horyzontem czarnej dziury usmażyłby kogokolwiek lub cokolwiek próbującego odkryć jej tajemnice.

Skalowanie firewall’u

Oto serce całej argumentacji: jeśli horyzont czarnej dziury jest miejscem gładkim, pozornie zwykłym jak przewiduje teoria względności (autorzy nazywają to „niedramatycznym” warunkiem) to cząstki ulatujące z czarnej dziury muszą być splątane z cząstkami wpadającymi do czarnej dziury. Jednak, żeby informacja nie została utracona, cząstki opuszczające czarną dziurę musiałyby być również splątane z cząstkami, które opuściły ją dawno temu i teraz rozproszone są we mgle promieniowania Hawkinga. Autorzy AMPS zdali sobie sprawę, że tych rodzajów splątania jest za dużo. Któryś z nich musiałby zostać wyeliminowany.

Powodem jest to, że maksymalne splątanie musi być pojedyncze, istniejące pomiędzy tylko dwiema cząstkami. Dwa splątania naraz – kwantowa poligamia – po prostu nie może się zdarzyć, co sugeruje, że gładka, ciągła czasoprzestrzeń wewnątrz czarnych dziur nie może istnieć. Zerwanie splątania na horyzoncie oznaczałoby nieciągłość w przestrzeni, spiętrzenie energii: “firewall”.

Papier AMPS okazał się “prawdziwym wyzwalaczem”, powiedział Stephen Shenker, fizyk ze Stanford, i “ostro uwypuklił”, jak wiele jeszcze nie zostało zrozumiane. Oczywiście fizycy uwielbiają takie paradoksy, gdyż są one żyznym gruntem dla odkryć.

Zarówno Susskind, jak i Maldacena natychmiast się tym zajęli. Obaj zainspirowani pracą Marka Van Raamsdonka, fizyka z University of British Columbia in Vancouver, który zaproponował kluczowy eksperyment myślowy sugerujący, że splątanie i czasoprzestrzeń są ściśle powiązane, rozpoczęli rozważania nt. splątania i tuneli czasoprzestrzennych.
“Któregoś dnia,” powiedział Susskind, “Juan wysłał mi bardzo tajemniczą wiadomość, zawierającą równanie ER = EPR. Od razu zauważyłem, do czego zmierza, i od tamtego momentu posunęliśmy się zarówno w przód i w tył, znacznie rozwijając tę ideę”.

Ich badania zaprezentowane w artykule “Cool Horizons for Entangled Black Holes” z 2013 roku przemawiały za pewnego rodzaju “łączącym przestrzeń” splątaniem, które według Susskinda autorzy AMPS przeoczyli. AMPS zakładało bowiem, że fragmenty przestrzeni wewnątrz i na zewnątrz horyzontu zdarzeń są niezależne. Susskind i Maldacena zasugerowali jednak, że cząstki po obu stronach horyzontu można połączyć tunelem czasoprzestrzennym. Splątanie ER = EPR pozwoliło “ominąć ten pozorny paradoks”, powiedział Van Raamsdonk. Referat ich zawierał też grafikę, którą niektórzy nazywają żartobliwie “obrazkiem ośmiornicy” – z wieloma dziurami prowadzącymi od wnętrza czarnej dziury do promieniowania Hawkinga na zewnątrz.

Innymi słowy, nie było potrzeby stosowania splątania, powodującego załamanie gładkiej powierzchni krawędzi czarnej dziury. Cząstki znajdujące się jeszcze wewnątrz dziury pozostałyby bezpośrednio połączone z cząstkami, które już dawno temu ją opuściły. Nie ma potrzeby przekraczania horyzontu. Cząstki znajdujące się wewnątrz i odległe można uznać za te same, wyjaśnił Maldacena – zupełnie jak w przypadku mówienia ja, ja i ja (oryg. „like me, myself and I”). Kompleksowy “ośmiornicowy” tunel czasoprzestrzenny łączyłby wnętrze czarnej dziury bezpośrednio z cząstkami w rozległej chmurze promieniowania Hawkinga.

Dziury w tunelu

Nikt nie ma pewności, czy ER = EPR uda się rozwiązać problem „firewallu”. John Preskill, fizyk z California Institute of Technology w Pasadenie, przypomniał czytelnikom “Quantum Frontiers”, bloga Caltech’s Institute for Quantum Information and Matter, że czasami fizycy polegają na swoim “zmyśle węchu”, aby zwęszyć czy teorie są obiecujące. “Przy pierwszym powąchaniu” napisał: “ER = EPR pachnie świeżo i słodko, ale musi jeszcze przez jakiś czas dojrzewać sobie na półce”.

Cokolwiek się wydarzy, związek pomiędzy splątanymi cząstkami kwantowymi a geometrią gładko zakrzywionej czasoprzestrzeni stanowi “potężne spostrzeżenie”, stwierdził Shenker. Pozwoliło to, przez to, co Shenker nazywa “prostą geometrią, którą nawet ja mogę zrozumieć”, jemu i jego współpracownikowi Douglasowi Stanfordowi, badaczowi z Institute for Advanced Study, rozpocząć zmagania ze złożonymi problemami chaosu kwantowego.

Z pewnością, ER = EPR nie ma jeszcze zastosowania do żadnego rodzaju przestrzeni lub jakiegokolwiek rodzaju splątania. Potrzeba do tego specjalnego rodzaju splątania i specjalnego rodzaju tunelu. “Lenny i Juan są tego w pełni świadomi”, powiedział Marolf, który niedawno był współautorem pracy opisującej tunele czasoprzestrzenne o więcej niż dwóch końcach. ER = EPR działa w bardzo specyficznych sytuacjach, powiedział, ale firewall w AMPS stanowi znacznie poważniejsze wyzwanie.

Razem z Pochlinskim i innymi, Marolf obawia się, że ER = EPR wprowadza modyfikacje do standardowej mechaniki kwantowej. “Hipotezą ER = EPR interesuje się naprawdę wiele osób,” powiedział Marolf. “Ale istnieje poczucie, że tylko Lenny i Juan naprawdę rozumieją, o co tu chodzi”. Mimo wszystko “to interesujący okres żeby pozostać w grze”.

Autor: Fake_R

Źródło: www.wykop.pl

 

0 Udostępnień
Kategorie: Nauka / Kosmos

Zostaw komentarz


*

code


  • Facebook

Szukaj temat