Μαύρες Τρύπες: Τα τέλεια κβαντικά κομπιούτερ;

Posted: 16 Μαΐου 2006 in Επιστήμη

Σχεδόν όλες οι πληροφορίες που περιέρχονται σε μια μαύρη τρύπα δραπετεύουν πίσω πάλι προς τα έξω, υποστηρίζει μια αμφισβητούμενη νέα μελέτη. Η εργασία αυτή προτείνει ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν μια ημέρα να χρησιμοποιηθούν ως απίστευτα ακριβείς κβαντικοί υπολογιστές – εάν θα μπορέσουν πρώτα να υπερνικηθούν τεράστια θεωρητικά και πρακτικά εμπόδια.

Οι μαύρες τρύπες θεωρούνται ότι καταστρέφουν οτιδήποτε διασχίζει ένα σημείο μη επιστροφής γύρω από αυτήν, που λέγεται "ορίζοντας γεγονότων". Αλλά στη δεκαετία του '70, ο Stephen Hawking χρησιμοποίησε την κβαντομηχανική για να παρουσιάσει ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία, η οποία τις 'εξατμίζει' τελικά εντελώς.

Αρχικά, υποστήριξε ότι αυτή η "ακτινοβολία Hawking" είναι τόσο τυχαία που δεν θα μπορούσε να μεταφέρει καμία πληροφορία έξω, για ό,τι είχε πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα. Αλλά αυτό συγκρουόταν με την κβαντομηχανική, η οποία δηλώνει ότι οι κβαντικές πληροφορίες δεν μπορούν ποτέ να χαθούν. Τελικά, ο Hawking άλλαξε τις ιδέες του και το 2004 έχασε ένα διάσημο στοίχημα, αναγνωρίζοντας ότι οι μαύρες τρύπες δεν καταστρέφουν τις πληροφορίες.

Αλλά το ζήτημα πάει μακριά, λέει ο Daniel Gottesman του Ινστιτούτου Perimeter στο Βατερλώ του Καναδά. "Ο Hawking έχει αλλάξει τις απόψεις του, αλλά πολλοί άλλοι άνθρωποι δεν τις έχουν αλλάξει", είπε. "Υπάρχουν ακόμα πολλές ερωτήσεις για το τι στην πραγματικότητα γίνεται μέσα στις μαύρες τρύπες".

Κβαντική εμπλοκή

Τελευταία όμως, ο Seth Lloyd του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ, χρησιμοποίησε ένα αμφισβητούμενο κβαντικό μοντέλο, που ονομάζεται προβολή τελικής κατάστασης για να προσπαθήσει να λύσει το παράδοξο. Το μοντέλο υποστηρίζει ότι κάτω από ορισμένες ακραίες περιστάσεις – όπως το ισχυρό βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας, αντικείμενα που θα είχαν συνήθως διάφορες επιλογές για τη συμπεριφορά τους έχουν μόνο μία. Παραδείγματος χάριν, μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να αναγκάσει ένα νόμισμα που ρίχτηκε μέσα της να έρθει πάντα "κεφάλι".

Η κατάσταση αυτή επιτρέπει στις πληροφορίες να δραπετεύσουν από μια μαύρη τρύπα χωρίς οποιαδήποτε ασάφεια για το πώς να ερμηνευτούν. Οι πληροφορίες διαφεύγουν τελικά μέσω μιας κβαντικής διαδικασίας, τη γνωστή διεμπλοκή, στην οποία τα αντικείμενα δεν είναι ανεξάρτητα εάν έχουν αλληλεπιδράσει αρχικά το ένα με το άλλο ή έχουν δημιουργηθεί μέσω της ίδιας διαδικασίας. Αυτά τα αντικείμενα γίνονται συνδεδεμένα, ή πεπλεγμένα, έτσι ώστε αφήνοντας το ένα αμετάβλητο να έχει επιπτώσεις και στο άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μεταξύ τους.

Στις μαύρες τρύπες, η ακτινοβολία Hawking προκύπτει ακριβώς έτσι μέσα στον ορίζοντα γεγονότων και έχει δύο συστατικά – το ένα που αφήνει τη μαύρη τρύπα και το άλλο που πέφτει προς την ιδιομορφία, που είναι η ίδια η μαύρη τρύπα.

Αυτά τα δύο συστατικά είναι πεπλεγμένα, έτσι όταν αλληλεπιδρά η ύλη που έχει απορροφηθεί στη μαύρη τρύπα αλληλεπιδράσει με τη ακτινοβολία Hawking που έπεσε μέσα στην ιδιομορφία, η αλληλεπίδραση παράγει στιγμιαία μια αλλαγή στη ακτινοβολία Hawking που έχει δραπετεύσει από τη μαύρη τρύπα. Επειδή το μοντέλο της προβολής της τελικής κατάστασης αναγκάζει αυτήν την αλληλεπίδραση να συμπεριφερθεί με έναν μόνο τρόπο, αυτή η ακτινοβολία επομένως φέρνει τις πληροφορίες για το υλικό μέσα στη μαύρη τρύπα.

 Ο Gottesman και ο συνάδελφος του John Preskill του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης στην Πασαντένα, διαπίστωσαν ότι οι προηγούμενοι υπολογισμοί από άλλους ερευνητές που χρησιμοποιούν αυτό το μοντέλο, επιτρέπουν σε αυτές τις πληροφορίες να δραπετεύσουν για ορισμένες μόνο  αλληλεπιδράσεις μεταξύ της ύλης που πέφτει και της ακτινοβολίας Hawking. Τώρα όμως, ο Lloyd υπολόγισε ότι η διαδικασία αυτή είναι εντελώς δυνατή – η τυχαία φύση αυτών των αλληλεπιδράσεων σημαίνει ότι το σύστημα είναι σχεδόν τέλεια πεπλεγμένο.

Όμως και ο Lloyd προτείνει ότι η εξερχόμενη ακτινοβολία Hawking μεταφέρει τελικά σχεδόν όλες τις πληροφορίες της ύλης – όπως ένα διαστημόπλοιο – που που περιέρχεται μέσα στη μαύρη τρύπα. Σύμφωνα με τον Lloyd, το περισσότερο που θα μπορούσε να χαθεί είναι μισή κβαντική μονάδα πληροφορίας ή 0,5 qubit.

"Οι επιβάτες ενός διαστημοπλοίου θα ήθελαν κάποια εγγύηση ότι όταν θα έπεφταν μέσα σε αυτήν την μαύρη τρύπα, και ενώ θα συντρίβονταν στην ιδιομορφία, μπορούν να αναδημιουργηθούν καθώς εξατμίζεται η μαύρη τρύπα", εξηγεί ο Lloyd. "Με μερικές απλές προφυλάξεις, οι ταξιδιώτες θα ήταν σχεδόν ακριβώς οι ίδιοι, με μία διαφορά λιγότερη από ένα άτομο".

Ο ίδιος ο Lloyd λέει επίσης ότι η εργασία αυτή προτείνει ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως κβαντικοί υπολογιστές. "Μπορούμε να βρούμε έναν τρόπο να προγραμματίσουμε ουσιαστικά τη μαύρη τρύπα, βάζοντας σωστά την ύλη μέσα σε αυτήν", λέει.

Αποστολή αδικαιολόγητη

Αλλά και οι δύο εφαρμογές θα απαιτούσαν μια κατανόηση των ιδιοτήτων των συγκεκριμένων μαύρων τρυπών, λέει ο Gottesman. "Και θα πρέπει να συλλέξετε κάθε μικρό κομμάτι της ακτινοβολίας Hawking, επειδή το διαστημόπλοιο θα ξέφευγε με όλα όσα περιήλθαν μέσα στη μαύρη τρύπα – πάντοτε", διευκρινίζει ο Gottesman. "Έτσι θα πρέπει να ταξινομήσεται ποια κομμάτια ήταν του διαστημοπλοίου και ποια κομμάτια ήταν άλλα πράγματα. Είναι αδικαιολόγητο."

Και ο Lloyd συμφωνεί. Το να κατανοήσουμε πώς να αποκωδικοποιήσουμε την εξερχόμενη ακτινοβολία Hawking θα απαιτήσει ερευνητές που θα ενοποιήσουν την κβαντική φυσική και τη γενική σχετικότητα σε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας – ένας στόχος που έχει αποδειχθεί μέχρι τώρα αδύνατος. "Έως ότου λοιπόν καταλάβουμε την κβαντική βαρύτητα, δεν πρόκειται να τρέξουμε Linux σε μια μαύρη τρύπα", αστειεύεται.

Αλλά πέρα από τις πρακτικές δυσκολίες, ο Gottesman είπε ότι η εργασία έχει μια σοβαρότερη θεωρητική ρωγμή. Παρά το γεγονός ότι  χάνεται ακριβώς μισό qubit πληροφοριών", από θεμελιώδη άποψη, δεν υπάρχει καμία πραγματική διαφορά μεταξύ λίγων πληροφοριών και πολλών που χάνονται", τονίζει.

"Στην καθιερωμένη κβαντομηχανική, καμία πληροφορία δεν χάνεται ποτέ, έτσι εάν είναι το τελευταίο σωστό, τότε η κβαντομηχανική θα έπρεπε να αναθεωρηθεί για να επιτρέψει την απώλεια των πληροφοριών. Δεν έχουμε καμία πραγματική ιδέα ποια θεωρία μπορεί να πάρει την θέση της".

Αναφορά περιοδικού: Physical Review Letters (vol 96, no 061302)

Πηγή : Physics4u.gr

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s