Introduzione
Nell'agosto 2013, dozzine di rinomati fisici teorici si sono riuniti a Santa Barbara, in California, per discutere di una crisi. La loro debole comprensione dei buchi neri stava cadendo a pezzi. Visto da lontano, come attraverso un telescopio, un buco nero dovrebbe comportarsi come un pianeta, una stella o qualsiasi altro conglomerato di particelle elementari. Ma se i fisici hanno creduto al lavoro di Albert Einstein, come la maggior parte di loro, allora si sono verificate conseguenze impossibili quando hanno considerato il buco nero dal punto di vista di qualcuno appena all'interno del suo confine.
Un esperimento mentale l'anno precedente aveva acuito questo scontro di prospettive, interrompendo bruscamente un armistizio di due decenni tra coloro che ritenevano fondamentale la vista dall'esterno e coloro che si concentravano sulla vista dall'interno. All'improvviso, tutti i tipi di sacrosante convinzioni fisiche furono messi in discussione. Quelli dietro l'esperimento mentale hanno suggerito, disperatamente, che l'interno del buco nero potrebbe semplicemente non esistere - che lo spazio-tempo finisse sul bordo del buco nero in un letteralmente muro di fuoco.
Come estensione di quel pensiero, un partecipante alla conferenza ha persino suggerito, in gran parte per scherzo, che il paradosso sembrava implicare che le leggi conosciute della fisica potrebbero semplicemente rompersi ovunque in ogni momento, un'osservazione che ha guadagnato una risata degna di Comedy Cellar. . Uno dei partecipanti più giovani, Daniele Harlow, ha preso il microfono e ha reagito con un singolo incredulo "Amico", prima di riportare la conversazione su un terreno meno eretico.
"C'è stata solo una raffica" di brainstorming, ha detto Patrizio Hayden, un informatico diventato fisico alla Stanford University. "La volontà delle persone di uscire allo sbaraglio con idee folli è stata scioccante."
Dopo un altro decennio di discussioni e calcoli, Harlow, ora fisico senior presso il Massachusetts Institute of Technology, crede che lui e un team di teorici emergenti abbiano finalmente trovato il modo, o almeno un modo, per quadrare l'esterno e viste interne. In tal modo, hanno stabilito una sorta di distensione tra i mondi in guerra della relatività e della teoria quantistica. La loro risoluzione, che intreccia idee lontane dalla teoria dell'informazione quantistica e calcoli rivoluzionari dal 2019, è un tentativo faticoso e faticoso di avere l'esterno e mantenere anche gran parte dell'interno.
"Sono riusciti a dimostrare che, almeno in linea di principio, questa tensione può essere risolta", ha detto Tom Hartmann, un fisico della Cornell University che ha trovato una caratteristica di punta della loro teoria in un altro modello di gravità.
Introduzione
Sebbene la loro procedura attualmente funzioni solo con una caricatura ridotta all'osso di un buco nero, cattura molte delle caratteristiche peculiari delle stelle collassate. Se vale per i veri buchi neri, risponderà in modo definitivo a una serie di domande classiche sui buchi neri, da ciò che un astronauta sperimenterebbe mentre cade in un buco nero al destino ultimo delle informazioni contenute nella disposizione delle sue molecole.
"Rappresenta in una certa misura la fine di una rivoluzione, piuttosto che un inizio", ha detto Geoff Penington, fisico dell'Università della California, Berkeley e collaboratore del nuovo lavoro.
"È molto eccitante. Potrebbe essere sbagliato, ma penso che questa sia la giusta essenza", ha detto Oliver De Wolfe, un fisico dell'Università del Colorado, Boulder e uno dei pochi ricercatori che si sono basati sulla proposta di Harlow e compagnia nell'ultimo anno.
Il gruppo si sforza di salvare l'interno del buco nero da un vero e proprio sacrificio infliggendo una ferita nella carne: con una svolta ironica, Harlow e la compagnia propongono che le leggi familiari della fisica si rompano all'interno di un buco nero - e forse ovunque in ogni momento. Ma lo fanno in un modo precedentemente sconosciuto, troppo sottile perché qualcuno se ne accorga. Alla radice c'è un vincolo che non deriva dalla materia o dalla sostanza dello spazio-tempo. Piuttosto, deriva da argomenti riguardanti la complessità - le possibilità essenzialmente infinite contenute in vasti volumi di informazioni quantistiche.
Dalle radiazioni di Hawking ai firewall
Una sessione al seminario di Santa Barbara è stata guidata dal principale artefice della rivoluzione dei buchi neri. Entrando via skype dal suo ufficio di Cambridge su un ampio schermo del proiettore, uno straordinario Stephen Hawking ha difeso l'idea che lo spazio e il tempo sopravvivano all'interno del buco nero. “Qualche tempo fa ho scritto un articolo che ha dato il via a una polemica che è durata fino ai giorni nostri”, ha esordito.
Quella controversia è incentrata sul modo in cui i buchi neri sembrano essere palcoscenici per il più grande atto di scomparsa nell'universo.
Nel 1974 Hawking calcolato che attorno all'orizzonte degli eventi - la sfera di non ritorno che circonda un buco nero - le fluttuazioni quantistiche creano coppie di particelle. Un partner cade nel buco nero mentre l'altro scappa. Nel corso del tempo, i partner si accumulano sia all'interno che all'esterno del buco nero, dove prendono il volo in una nuvola in espansione di "radiazione di Hawking".
Il problema è iniziato con il fatto che, secondo i termini della meccanica quantistica, ogni duo è legato da entanglement, il che significa che le due particelle trasportano congiuntamente un'unità di informazione. Ogni partner è come la faccia di una moneta, che potrebbe essere usata per rispondere a una domanda sì o no. Questa singola capacità sì o no è chiamata "bit" o "qubit" se l'oggetto può esistere in una combinazione quantistica chiamata sovrapposizione. Ma a differenza delle due facce di una moneta, le particelle intrecciate possono separarsi. Tuttavia, se una misurazione trova un partner esterno che legge "teste", un'altra misurazione troverebbe sicuramente il partner interno che legge "croce".
Ciò sembra in conflitto con una seconda conseguenza del calcolo di Hawking. Quando il buco nero irradia particelle, alla fine evapora completamente. Dopo innumerevoli eoni, rimane solo la nuvola di radiazioni. Ma poiché ogni partner esterno condivide una parte con il suo partner interiore, la sola radiazione di Hawking ha poco senso come un salvadanaio pieno di monete unilaterali. I qubit di informazioni all'interno del buco nero, che registrano la vita del buco nero e tutto ciò che vi è caduto, apparentemente scompaiono: uno sviluppo assurdo.
Introduzione
"Va bene finché quella roba è dentro da qualche parte", ha detto Samir Matur, fisico della Ohio State University e uno dei coordinatori della conferenza del 2013. "Ma se il buco nero scompare, i ragazzi fuori non hanno alcuno stato definito."
La sconcertante scomparsa dei vecchi buchi neri ha portato i fisici ad adottare uno dei due punti di vista contrastanti, a seconda che la loro lealtà fosse con la teoria dello spazio-tempo curvo di Einstein, nota come relatività generale, o con la meccanica quantistica. Hawking, per molti anni, ha scommesso su Einstein. Se l'intrappolamento di particelle e la cancellazione dei loro qubit violava il divieto della meccanica quantistica sulle monete unilaterali, credeva Hawking, allora tanto peggio per la meccanica quantistica.
Altri hanno preferito mantenere l'occhio della mente fuori dal buco nero. Si sono schierati con la meccanica quantistica, che garantisce rigorosamente la nozione romantica secondo cui l'informazione non va mai veramente persa. Dopo aver bruciato un diario, ad esempio, si può immaginare di catturare la nuvola di fumo, cenere e calore e ricostruire le frasi perdute. Un buco nero potrebbe rimescolare le particelle di un diario più violentemente di un falò, ma si applicherebbe la stessa logica. Se la radiazione di Hawking era tutto ciò che era rimasto, allora le informazioni del testo devono essere trapelate in esso in qualche modo - non importa che la teoria dello spazio-tempo di Einstein richieda che rimanga intrappolata all'interno.
L'ultimo pezzo del paradosso era che l'analisi di Hawking aveva scoperto che la radiazione era perfettamente casuale, priva di qualsiasi informazione da decodificare. Il suo lavoro ha suggerito due conclusioni contrastanti: che i buchi neri evaporano (il che implica che la radiazione alla fine dovrebbe portare via l'informazione) e che la radiazione non trasporta informazioni. Non potevano avere ragione entrambi, quindi la maggior parte dei fisici presumeva che Hawking avesse sbagliato in qualche modo.
Ma il suo errore non era ovvio. Hawking aveva scoperto sia la radiazione che la sua casualità analizzando il modo in cui i campi quantistici agiscono in uno spazio-tempo che si curva dolcemente, una struttura rigorosamente testata nota come fisica semiclassica. L'approccio semiclassico di Hawking si basava solo su aspetti della meccanica quantistica e della relatività generale che sembravano irreprensibili. Trattazioni simili costituiscono le fondamenta della maggior parte delle teorie moderne, compreso il celebre Modello standard della fisica delle particelle.
I fisici si aspettano che la fisica semiclassica vacilli quando la gravità diventa intensa, come accade al centro ancora imperscrutabile di un buco nero, ben oltre il suo orizzonte degli eventi. Ma per i grandi buchi neri, l'orizzonte degli eventi stesso dovrebbe essere per lo più innocuo; un astronauta curioso e ben fornito potrebbe cadere e sopravvivere a lungo prima di incontrare la sua inevitabile scomparsa vicino al centro. Infatti, all'orizzonte dell'enorme buco nero al centro della galassia M87, il primo buco nero per essere immaginato direttamente, la gravità non attira molto più forte di quanto non faccia sulla Terra. Se Hawking stava facendo supposizioni semiclassiche errate, allora lo sono anche tutti gli altri sul pianeta. "Se le leggi della fisica descritte dalla [fisica semiclassica] funzionano qui sulla Terra", ha detto Alex Malney, un fisico della McGill University, "perché non dovrebbero lavorare all'orizzonte degli eventi?"
Dopo decenni di dibattiti sul presunto errore di Hawking, alcuni fisici hanno cercato di mediare una tregua tra le due parti. Nel 1993, Leonard Suskind della Stanford University ha iniziato a sostenere l'idea che non vi fosse alcun errore. In parole povere, il conflitto è nato da un'aspirazione irrealistica di tenere nella propria mente sia l'interno che l'esterno del buco nero allo stesso tempo.
Invece, sostenevano Susskind e collaboratori, il racconto che un astronauta all'esterno avrebbe raccontato era semplicemente diverso da quello che avrebbe riferito un astronauta in caduta. Un astronauta lontano vedrebbe il suo compagno impazzire sulla superficie del buco nero, che si incresperebbe mentre assorbiva l'intruso. Avrebbero guardato le informazioni diffondersi sulla faccia del buco nero e alla fine sfrigolare via come radiazioni, senza mai scomparire all'interno. Dal punto di vista del compagno, tuttavia, entra in sicurezza nel buco nero, dove sia lei che le sue informazioni rimangono intrappolate. Il suo racconto si discosta da quello della sua amica, ma dato che non può inviare messaggi per contraddire il loro rapporto, c'è davvero un problema? Le due narrazioni potrebbero essere, in un certo senso, complementari.
"L'ho sempre trovato confuso", ha detto Scott Aaronson, uno scienziato informatico teorico presso l'Università del Texas, Austin, ma "la gente si è accontentata di questo per un decennio o due".
Nel 2012, quattro fisici si sono presentati e hanno bruciato al suolo l'argomento della complementarità. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski e James Sully - una squadra comunemente chiamata con le loro iniziali, AMPS - hanno dettagliato una strategia in due fasi esperimento mentale ciò consentirebbe a un singolo osservatore di assistere al buco nero nascondendo informazioni in due posti contemporaneamente.
Innanzitutto, un astronauta all'esterno raccoglie ogni particella emessa da un buco nero per la maggior parte dei suoi 1067anni di vita. Supponendo che le informazioni penetrino nella radiazione, alcuni partner esterni devono essersi intrecciati l'uno con l'altro, conferendo loro stati definiti. L'astronauta analizza queste particelle e conferma che sono entangled. "Supponi di avere una borsa di studio [di ricerca] molto lunga", ha detto Aaronson.
Quindi si tuffa nel buco nero e conferma che alcuni partner che ha studiato all'esterno sono anche coinvolti con partner all'interno. Il calcolo semiclassico di Hawking indica che lo troverà, il che implica che quelle che sembravano belle monete a due facce fuori dal buco nero nascondono una terza faccia illegale all'interno.
AMPS aveva dimostrato che non c'era modo di nascondersi dal paradosso di Hawking. Si sono schierati con riluttanza con la meccanica quantistica fuori dal buco nero, e di conseguenza hanno sacrificato lo spazio all'interno: forse il buco nero ha vaporizzato la materia in caduta con un "firewall" all'orizzonte, impedendo a qualsiasi astronauta impiccione di finire l'esperimento. "Il buco nero non ha affatto un interno", ha detto Aaronson, descrivendo la loro conclusione. "Quando provi a saltare dentro, incontri una fine dello spazio-tempo."
Nessuno si sentiva bene con questa idea, poiché non vi era alcuna indicazione dalla fisica semiclassica che oltrepassare l'orizzonte dovesse essere diverso dall'attraversare il confine dall'Illinois all'Iowa. La comunità ha organizzato una serie di workshop per fare brainstorming su come uscire dal caos, culminando con il Incontro di Santa Barbara.
"Abbiamo trascorso alcuni mesi divertenti in cui tutti hanno cercato di uccidere quell'argomento e non ci sono riusciti", ha detto Harlow.
Nel bel mezzo del caos, Harlow ha stretto una collaborazione con Hayden - allora un informatico - per studiare cosa sarebbe servito a un astronauta per fare effettivamente l'esperimento AMPS. Hanno trattato il buco nero come un dispositivo di crittografia quantistica, qualcosa che raccoglie informazioni leggibili (materia normale) e sputa quelle che sembrano informazioni criptate (la radiazione). In questo contesto, si potrebbe immaginare di eseguire l'esperimento AMPS utilizzando una macchina per decifrare le informazioni, una macchina come un computer quantistico. E con un risultato chiave della tesi di dottorato di Aaronson sui limiti del calcolo quantistico, hanno scoperto qualcosa di curioso.
Un buco nero polverizza la materia in caduta così a fondo che se un astronauta incaricasse effettivamente un computer quantistico di decifrare la radiazione, il compito richiederebbe eoni. Ci vorrebbe così tanto tempo che il buco nero scomparirebbe da tempo prima che la barra di avanzamento raggiunga anche solo una frazione dell'1%. E a quel punto, l'astronauta non sarebbe in grado di saltare dentro per catturare informazioni esterne al chiaro di luna all'interno, perché l'interno non esisterebbe.
"Era un'osservazione di cui non sapevamo davvero cosa fare", ha detto Harlow. "Finalmente, 10 anni dopo, sappiamo cosa farne".
Come creare lo spazio-tempo su un computer quantistico
Dopo il lavoro del 2013, Harlow ha messo da parte i buchi neri per concentrarsi su un problema più semplice: lo spazio vuoto stesso. Iniziò a studiare un tipo irrealistico di spazio invertito noto come spazio anti-de Sitter che ammette anche due descrizioni molto diverse, proprio come sembravano fare i buchi neri.
"Se capisco abbastanza bene lo spazio anti-de Sitter, ciò suggerirà il modo di andare avanti, tornare ai buchi neri", ha ricordato Harlow pensando. "E questo ha davvero funzionato."
Introduzione
I fisici sono affascinati dallo spazio anti-de Sitter perché si curva in un modo esotico che consente a un volume infinito di spazio di adattarsi a un confine finito. Ancora più sorprendentemente, sembra esserci un modo per riformulare qualsiasi evento che si svolge nello spazio anti-de Sitter in termini di particelle che vivono sul confine, che giocano secondo regole fisiche completamente diverse. Un sistema solare nella regione centrale anti-de Sitter, ad esempio, può essere descritto come un insieme di particelle sparse attorno al confine che obbediscono solo alla teoria quantistica e non hanno alcun senso di gravità o spazio-tempo.
La domanda principale per Harlow era come le particelle sul confine, che non hanno il concetto di spazio-tempo, potessero catturare l'esperienza di un abitante di un pianeta nella regione centrale, per il quale lo spazio-tempo è innegabilmente importante. Ingenuamente, potremmo aspettarci di imbatterci in un problema in cui gli eventi di confine potrebbero riverberarsi istantaneamente nel mezzo, un luogo in cui gli effetti dovrebbero impiegare del tempo per propagarsi. A causa di questo problema, la relazione tra le particelle di confine e lo spazio-tempo centrale dovrebbe essere allentata, in modo che i cambiamenti di confine non influenzino immediatamente il centro, ma non così lassa che il confine perda completamente traccia di ciò che sta accadendo al centro. .
"Devi essere indipendente da tutti i pezzi del sistema, ma non indipendente dal sistema, che è come aaargh", ha detto Harlow, alzando le mani per la frustrazione.
Alla fine, Harlow si rese conto che un gruppo di ricercatori aveva già risolto il problema. Non avevano pensato affatto alla struttura dello spazio-tempo. Stavano inventando modi per i computer quantistici di correggere i propri errori.
Per avere un'idea di come la correzione degli errori incarni la relazione Goldilocks cercata da Harlow, si consideri un semplice schema per codificare un classico messaggio a un bit in una trasmissione a tre bit. Per indicare 1, trasmettere 111. Per indicare 0, trasmettere 000. Anche se si verifica un errore, il ricevente può semplicemente esprimere un voto di maggioranza. Capirà comunque che 001 significa 0 o 011 significa 1. Un singolo errore non rovina il messaggio, perché l'informazione risiede in tutte le cifre. Il messaggio è indipendente da ogni singolo pezzo, ma non dall'intera trasmissione, proprio quello di cui Harlow aveva bisogno. Correzione degli errori quantistici nei qubit (al contrario dei bit classici) richiede schemi più complicati, ma i due problemi condividono questa caratteristica di imbrattare le informazioni tra più pezzi. in 2014, Harlow ha collaborato con Almheiri di AMPS e Xi Dong dell'Università della California, Santa Barbara per spiegare come i codici di correzione degli errori quantistici potrebbe diffondere informazioni spazio-temporali anti-de Sitter tra i qubit di confine.
Il succo dell'idea era il seguente. Immagina il punto centrale nello spazio anti-de Sitter come un messaggio di un bit. Le particelle di contorno sono le cifre della trasmissione. Dividi il confine in tre archi. Le particelle di un qualsiasi arco conoscono i punti anti-de Sitter all'interno della regione adiacente. Ma non conoscono punti al di fuori di quella regione. Nessun singolo arco conosce il punto centrale, una situazione che ricorda come nessuna singola cifra di trasmissione sia sufficiente per ricostruire il messaggio.
Introduzione
Ma il punto centrale si trova all'interno della regione combinata appartenente a due archi qualsiasi, facendo eco a come due cifre di trasmissione siano sufficienti per decifrare il messaggio. In questo modo, la correzione degli errori sembrava essere un linguaggio adatto per comprendere lo spazio vuoto anti-de Sitter da due prospettive: o come spazio-tempo normale o, curiosamente, come una raccolta di qubit quantici senza spazio.
Introduzione
"Questo è un po 'sorprendente", ha detto DeWolfe. Le informazioni quantistiche non servono solo per costruire computer quantistici. "Si scopre che queste sono idee abbastanza importanti che la gravità quantistica sembra usarle".
Harlow era riuscito a collegare i due modi di guardare allo spazio-tempo. L'unico problema era che il framework non raggiungeva lo scopo previsto. Quando lo spazio-tempo conteneva un buco nero, la correzione degli errori quantistici fallì.
Già nel 2012, i fisici avevano lanciato l'idea di affrontare l'interno del buco nero con codici di correzione degli errori. Ma ancora una volta, le prospettive contrastanti nei calcoli di Hawking li avevano sconcertati. Un astronauta all'interno dell'orizzonte degli eventi vedrebbe i compagni di radiazioni in caduta piovere a tempo indeterminato. La capacità informativa del buco nero, se lo immagini come un disco rigido cosmico, aumenta sempre di più per tutta la sua vita.
Nel frattempo, un astronauta fuori da un buco nero nei suoi anni d'oro lo vedrebbe letteralmente ridursi di dimensioni man mano che evapora. Per raggiungere l'aspirazione di quadrare le due prospettive con la correzione degli errori, Harlow sembrava aver bisogno di un modo per codificare l'interno in crescita nel suo confine che si restringe, un compito come chiedere a un marinaio di inserire il messaggio "SOS" in una trasmissione di un carattere.
"La storia ha escluso l'interno dei buchi neri", ha detto Cristoforo Akers, un ricercatore del MIT che come studente laureato del secondo anno nel 2016 è stato ispirato da un influente documento di correzione degli errori di Harlow. "Mi è sembrato strano, quindi ho passato molto tempo a pensare a come includere i buchi neri in un modo migliore".
Gli ci sarebbero voluti quattro anni per trovarne uno, e un altro anno per aiutare a convincere Harlow che aveva senso.
Una ricetta per la fuga di informazioni
Mentre Harlow e Akers si interrogavano separatamente sull'interno di un buco nero, una costellazione di ricercatori era sul punto di rompere l'esterno. Penington, un fisico britannico in ascesa, è stato uno dei protagonisti. Si era perso il dramma del firewall alla conferenza di Santa Barbara, dal momento che nel 2013 aveva 21 anni e nel bel mezzo dei suoi studi universitari all'Università di Cambridge.
Quando Penington ha visitato Stanford nel 2015 come potenziale studente laureato, si è sentito combattuto tra lo studio della gravità quantistica e dell'informazione quantistica per il suo dottorato. Poi ha incontrato Hayden. Penington fu sorpreso di scoprire che sua madre - Frances Kirwan, una matematica a Oxford - era stata uno dei supervisori laureati di Hayden e che Hayden, un nativo canadese, aveva aiutato sua madre a pianificare un viaggio in canoa nell'Ontario rurale che aveva intrapreso quando aveva 8 anni. Fu ancora più sorpreso di apprendere che Hayden era al centro dello sforzo di spiegare i buchi neri con i qubit, mescolando i due interessi di Penington. La coppia ha deciso di lavorare insieme.
Hayden e Penington hanno iniziato con quello che pensavano fosse un problema astratto sui codici di correzione degli errori imperfetti, pubblicando a carta informativa quantistica sgargiante nel 2017. Quel lavoro non menzionava i buchi neri o lo spazio-tempo, ma il prossimo anno hanno portato i loro codici nello spazio anti-de Sitter. Alla fine, seguendo una formula sviluppata nel 2014 da Netta Engelhardt, un collega fisico millenario, Penington iniziò a sospettare che una particolare regione dello spazio anti-de Sitter stesse tracciando l'entropia, una quantità correlata alla capacità di informazione della nuvola di radiazione di Hawking entangled che fuoriesce da un buco nero. Ha trascorso l'inverno del 2018-2019 elaborando da solo i dettagli per verificare la sua intuizione.
"È il momento più difficile in cui ho lavorato continuamente sulla fisica nella mia vita", ha detto Penington. “Ero in vacanza in Messico a Natale, ma ci pensavo segretamente per tutto il tempo. I miei amici continuavano a chiedermi: 'Perché sei così silenzioso?'”
Più o meno nello stesso periodo, Engelhardt stava facendo un calcolo sostanzialmente identico. All'inizio del 2019, ha unito le forze con Almheiri e Marolf di AMPS e Henry Maxfield a Stanford per utilizzare la formula del 2014, che fornisce l'entropia in una situazione che coinvolge la gravità, per studiare le informazioni nella radiazione entangled all'esterno del buco nero.
Le due squadre hanno ottenuto la stessa risposta, che hanno svelato coordinato documenti nel maggio 2019. I calcoli ammontavano a contare le "teste" nella radiazione esterna, che ti dice quante "code" aggrovigliate sono nascoste all'interno del buco nero. Per i buchi neri giovani e vuoti, il numero di facce separate della moneta aumenta man mano che l'orizzonte degli eventi divide le coppie di Hawking, proprio come Hawking si aspettava. Ma con l'età, il numero di facce separate inizia a diminuire, il che implica che il buco nero si è riempito e in qualche modo sta svuotando le informazioni nella radiazione esterna, proprio come richiede la meccanica quantistica.
Introduzione
"Questi giornali di maggio, sono stati davvero fantastici", ha detto Harlow. Era impressionato dal fatto che avessero “il coraggio di fare i calcoli. Avrei pensato che fosse troppo difficile.
Alla fine, Penington, Engelhardt ei loro collaboratori pensarono di aver capito cosa stava succedendo fuori dal buco nero. Le informazioni stavano effettivamente trapelando nella radiazione, come avevano ipotizzato molti fisici. Questo fatto ha avuto tre conseguenze cruciali.
Innanzitutto, ha ristretto le possibilità dell'errore di Hawking. La radiazione non poteva essere veramente casuale, quindi perché la fisica semiclassica altrimenti affidabile suggeriva che lo fosse?
In secondo luogo, ha spostato la loro frontiera di comprensione dall'esterno del buco nero verso l'interno. In che modo un astronauta appena all'interno dell'orizzonte degli eventi di un vecchio buco nero sperimenterebbe l'evaporazione?
Infine, suggeriva che la struttura semiclassica di Hawking fosse quasi corretta e che fare il primo passo verso l'interno non avrebbe dovuto richiedere una teoria completa della gravità quantistica. Erano riusciti ad analizzare l'esterno usando ingredienti spazio-temporali familiari. Ma con solo una ricetta leggermente modificata (la formula dell'entropia del 2014) hanno scoperto che le informazioni sfuggono all'interno. I calcoli li hanno fatti sentire fiduciosi che la visione semiclassica dell'interno del buco nero non dovesse essere abbandonata. I firewall sembravano sempre più un passo troppo avanti.
"Se buttiamo via la descrizione degli interni, buttiamo via il bambino con l'acqua sporca", ha detto Engelhardt. "C'è un modo per usare la gravità semiclassica per fare un calcolo corretto."
Engelhardt, un esperto di entropia gravitazionale, aveva alcuni dei pezzi, e sembrava che Harlow ne avesse altri. L'ufficio di Engelhardt al MIT condivide un muro con quello di Harlow, quindi è stato naturale per loro unire le forze. Più o meno nello stesso periodo, Akers si trasferì al MIT per diventare il loro postdoc, e loro tre iniziarono a farlo risolvi il problema.
Come rompere lo spazio-tempo su un computer quantistico
Mentre la pandemia ha costretto il mondo a entrare all'interno all'inizio del 2020, il trio di accademici ha spostato i loro esperimenti mentali sui buchi neri dalle lavagne del MIT all'ambiente digitale di Zoom.
Il loro obiettivo era raccogliere tutti i fili e sviluppare una sorta di processo di conversione per trasformare la prospettiva interiore semiclassica nella prospettiva esteriore della meccanica quantistica. Una tale teoria sarebbe utile a un astronauta appena dentro il buco nero. Poteva scattare un'istantanea di ciò che la circondava, eseguire la procedura e recuperare un'immagine che le raccontava cosa stava vedendo un collega fuori. Mentre le due fotografie potrebbero sembrare catturare eventi diversi, Rashomon stile, la conversione dovrebbe rivelare che le scene sono segretamente compatibili. Sarebbe un revival più sofisticato della visione della complementarità di Susskind.
Introduzione
Akers si era già convinto che il programma di conversione dovesse essere scritto nel linguaggio della correzione degli errori quantistici, come Harlow aveva già elaborato per lo spazio vuoto. L'interno semiclassico sarebbe il messaggio e l'esterno quantico sarebbe la trasmissione. E dato che l'interno sembrava crescere all'interno di un orizzonte sempre più ristretto, avrebbero dovuto solo inventare un codice di correzione degli errori che potesse stipare un SOS in una singola S.
Akers ha affrontato lo scetticismo dei suoi colleghi. Il modo in cui la codifica avrebbe dovuto cancellare le informazioni all'interno del buco nero violava il divieto della meccanica quantistica contro la perdita di informazioni. Se l'astronauta dell'interno ha bruciato il registro della sua missione, potrebbe non essere in grado di ricostruire una replica dalle ceneri.
"Se stai modificando la meccanica quantistica, la gente penserà che sei pazzo, e di solito avranno ragione", ha detto Harlow. "Ero titubante."
Nello stesso anno, uno studente laureato del MIT (ora a Stanford) di nome Shreya Vardhan si unì all'equipaggio. Fece alcuni calcoli concreti sull'entropia che alla fine convinsero tutti che rompere leggermente la meccanica quantistica all'interno era l'unico modo per salvarla completamente all'esterno.
"Shreya e Chris in particolare lo stavano spingendo in modi diversi", ha detto Harlow. "Shreya ha abbattuto l'ultima barriera per me e ho capito che questo ha davvero senso."
Akers aveva lavorato con Penington, quindi è stato coinvolto anche lui. Lo sforzo ha richiesto alcuni anni di lavoro intermittente. E proprio mentre si sedevano per scrivere i loro risultati, tre quinti del team si sono contemporaneamente ammalati di Covid-19. Ma lo scorso luglio finalmente pubblicato una prestampa descrivendo in dettaglio la loro teoria su come l'interno del buco nero potrebbe essere codificato nel suo esterno con il codice di correzione degli errori più strano del mondo.
Ecco come funziona. Un astronauta altruista all'interno del buco nero registra la configurazione di tutti i fotoni, gli elettroni e le altre particelle che circondano lei e il buco nero: un file di dati quantistici composto da un mucchio di qubit che catturano la sua esperienza semiclassica. Il suo obiettivo è comprendere la prospettiva quantistica del suo partner all'esterno in quel momento. Il gruppo ha sviluppato un algoritmo in due fasi che si potrebbe immaginare eseguito su un computer quantistico per convertire quell'istantanea interna.
Innanzitutto, il programma rimescola i qubit semiclassici quasi irriconoscibili utilizzando una delle trasformazioni più casuali in matematica.
Poi arriva la salsa segreta. Il secondo passo prevede la postselezione, una strana operazione più comunemente usata dai teorici dell'informazione che dai fisici. La postselezione consente a uno sperimentatore di attrezzare un processo casuale per ottenere il risultato desiderato. Supponiamo che tu voglia lanciare una moneta e ottenere 10 teste di fila. Puoi farcela, purché tu abbia la pazienza di ricominciare ogni volta che esce croce. Allo stesso modo, il programma di codifica inizia a misurare i qubit semiclassici ma si riavvia ogni volta che ottiene un 1. Alla fine, quando ha misurato la maggior parte dei qubit criptati e ottenuto con successo una stringa di zeri, li butta via. I pochi qubit rimanenti, non misurati, rappresentano i pixel dell'immagine quantistica del buco nero vista dall'esterno. Pertanto, il codice comprime un file RAW semiclassico di grandi dimensioni in un JPEG quantistico compatto.
È "un modo in perdita per comprimere molte informazioni semiclassiche in uno spazio quantistico finito", ha detto Hartman di Cornell.
Ma c'è un grosso problema. Come può un programma del genere eliminare così tante informazioni semiclassiche senza cancellare alcun dettaglio essenziale? La procedura implica che la fisica semiclassica è piena di lanugine: configurazioni di particelle che l'astronauta interno potrebbe osservare che in realtà non sono reali. Ma la fisica semiclassica è stata rigorosamente testata nei collisori di particelle sulla Terra e gli sperimentatori non hanno visto segni di tali miraggi.
“Quanti stati sono codificati in modo affidabile? E quanto bene può fare la teoria semiclassica? Ha detto Hartmann. "Dato che deve essere in perdita, non è ovvio che possa fare qualsiasi cosa."
Per spiegare come una teoria imperfetta potesse funzionare così bene, il team si è rivolto alla strana osservazione che Hayden e Harlow avevano fatto nel 2013, secondo cui la decodifica della radiazione per l'esperimento AMPS avrebbe richiesto così tanti passaggi da essere effettivamente impossibile. Forse la complessità potrebbe nascondere le crepe nella fisica semiclassica. La codifica non stava eliminando le configurazioni, volenti o nolenti. Ha cancellato solo alcune disposizioni di particelle che erano complesse nel senso che ci sarebbe voluto così tanto tempo per realizzarsi che l'astronauta interno non avrebbe mai potuto aspettarsi di vederle.
Sostenere che il codice lasciava gli stati semplici essenzialmente intatti costituiva la maggior parte del lavoro. Il gruppo ha sostenuto che per qualsiasi versione del loro processo in due fasi, la creazione di una configurazione semiclassica complessa senza controparti dalla prospettiva esterna richiederebbe essenzialmente un'eternità - qualcosa come 10,000 volte l'età attuale dell'universo solo per un 50-qubit, subatomico granello di un buco nero. E per un vero buco nero, come M87 con il suo 1070-odd qubit, un esperimento che ha infranto la fisica semiclassica richiederebbe esponenzialmente più tempo di così.
Il team propone che i buchi neri evidenzino una nuova rottura nel quadro stabilito della fisica. Proprio come Einstein una volta predisse che la nozione di Newton delle distanze rigide sarebbe fallita a velocità sufficientemente elevate, essi prevedono che la fisica semiclassica fallisca per esperimenti estremamente complessi che coinvolgono un numero impensabile di passi e una durata incomprensibile.
I firewall, secondo il gruppo, sarebbero una manifestazione di tale impensabile complessità. Un vero buco nero come quello di M87 esiste solo da miliardi di anni, non abbastanza a lungo perché l'interno semiclassico si rompa in un firewall. Ma se si fosse in grado di fare esperimenti improbabilmente complicati, o se un buco nero vivesse per un tempo estremamente lungo, tutte le scommesse semiclassiche verrebbero annullate.
"C'è una frontiera della complessità", ha detto Harlow. "Quando inizi a fare cose esponenziali, allora [la fisica] inizia davvero a essere diversa."
Salvato dalla maledizione della complessità
Una volta che i fisici si sono convinti che la perdita del codice non avrebbe portato a crepe evidenti nella fisica semiclassica all'interno del buco nero, il team ha studiato le conseguenze. Hanno scoperto che l'apparente bug si è rivelato essere la caratteristica definitiva.
“Sembra brutto. Sembra che perderai informazioni perché stai cancellando molti stati ", ha detto Akers. Ma "si scopre che è tutto ciò che hai sempre desiderato".
In particolare, va oltre il lavoro del 2019 nell'affrontare il modo in cui le informazioni escono dal buco nero. O meglio, suggerisce che i qubit non sono esattamente all'interno per cominciare.
Il segreto sta nel funky secondo passaggio della conversione, la postselezione. La postselezione coinvolge gli stessi ingredienti matematici, vale a dire la misurazione dei partner in entanglement, come un processo quantistico da manuale che teletrasporta le informazioni da un luogo all'altro. Quindi, mentre il processo di conversione non è un evento fisico che si svolge nel tempo, spiega come le informazioni sembrano passare dall'interno all'esterno.
In sostanza, se l'astronauta interno converte un'istantanea scattata in una fase avanzata della vita del buco nero, imparerà che l'informazione che sembra risiedere nelle particelle intorno a lei - o anche nel suo stesso corpo - dalla prospettiva esterna fluttua effettivamente nell'Hawking radiazioni all'esterno. Col passare del tempo, il processo di conversione rivelerà sempre di più che il suo mondo è irreale. L'istante prima che il buco nero scompaia, nonostante l'impressione contraria dell'astronauta, le sue informazioni esisteranno quasi interamente all'esterno, confuse nella radiazione. Tracciando questo processo, istantanea per istantanea, il gruppo è stato in grado di derivare la formula dell'entropia di Engelhardt che aveva trovato informazioni nella radiazione nel 2019. Anch'essa è un sottoprodotto della perdita di conversione.
In breve, la conversione spiega come un astronauta possa sperimentare inconsapevolmente un interno che si distacca sempre di più dalla realtà esterna man mano che matura. L'errore di Hawking, sostengono, è stato quello di mettersi completamente nei panni dell'astronauta interno e presumere che la fisica semiclassica funzionasse perfettamente sia all'interno che all'esterno del buco nero.
Non si rendeva conto, come ora credono Harlow e compagnia, che la fisica semiclassica non riesce a catturare con precisione fenomeni ed esperimenti che richiedono complessità esponenziale. La decodifica delle informazioni criptate nella radiazione richiederebbe un tempo esponenzialmente lungo, motivo per cui la sua analisi semiclassica prevede erroneamente che la radiazione sia priva di caratteristiche. Le caratteristiche ci sono; ci vorrebbe solo molte, molte volte l'età dell'universo per scoprirli.
Inoltre, c'è una ragione per cui la capacità informativa dell'interno sembra crescere mentre le dimensioni della superficie del buco nero si riducono: il calcolo semiclassico include erroneamente un numero enorme di stati complessi che non hanno controparti quantistiche all'esterno. Se i fisici prendono in considerazione i modi in cui la complessità può interferire con la fisica semiclassica, lo scontro tra l'immagine dello spazio-tempo all'interno e l'immagine quantistica all'esterno svanisce.
"Ora vediamo un modo coerente attraverso il paradosso", ha detto Harlow.
Confusione del buco nero
Nonostante tutta la fiducia di Harlow, tuttavia, altri nella comunità del buco nero hanno molte domande.
Il limite principale è che le teorie che il codice collega sono estremamente semplici. La descrizione della meccanica quantistica ha una raccolta di qubit che irradiano informazioni. La descrizione semiclassica ha un interno separato da un esterno da un orizzonte degli eventi. E questo è tutto. Non c'è gravità e nessun senso dello spazio-tempo. Il codice ha le caratteristiche fondamentali del paradosso, ma manca di molti dettagli che sarebbero necessari per sostenere che i veri buchi neri operino in questo modo.
"La speranza, come sempre, è che tu abbia un modello giocattolo da cui hai estratto tutta la fisica importante e scartato tutta la fisica non importante", ha detto Maloney. "Ci sono buone ragioni per pensare che sia vero qui, ma è comunque importante essere cauti."
Esistono molte soluzioni alternative e la gravità reale potrebbe ancora risolvere il paradosso in uno di quei modi. Mathur dell'Ohio State, ad esempio, conduce un programma di ricerca che studia una di queste opzioni. Analizzando cosa accadrebbe a una stella che collassa nella teoria delle stringhe, lui e i suoi collaboratori hanno scoperto che le stringhe possono fermare il collasso. Formano una massa che si contorce, un “fuzzball”, il cui intricato dimenarsi avrebbe impedito la formazione di un orizzonte degli eventi - e di un paradosso. Mathur solleva varie obiezioni alla nuova soluzione e generalmente ritiene che il codice con perdita sia una proposta eccessivamente complicata. "Il paradosso dell'informazione è stato risolto molto tempo fa", ha detto. (Per fuzzballs.)
Nel frattempo Marolf, che ha lavorato con Engelhardt per individuare le informazioni nelle radiazioni nel 2019, sospetta che la loro soluzione possa essere eccessivamente prudente. "La mia preoccupazione è che sia quasi troppo facile", ha detto.
Si soffoca con la perdita, il che significa che il codice nella sua forma attuale fornisce risposte uniche solo all'astronauta interiore. Se un astronauta esterno scatta una foto e vuole sapere cosa dice dell'interno, dovrà indovinare i pixel semiclassici che il codice cancella. Anche se questi stati sono in un certo senso illusori, sono essenziali per comprendere l'esperienza umana interiore. Per alcune ipotesi, potrebbe trovare un interno calmo. In altri, un firewall infuriato. Non importa quanto sia raffinata la teoria quantistica al di fuori, non sarà mai in grado di dire con certezza cosa troverebbe se si tuffasse.
"Mi disturba un po'", ha detto Marolf. "Pensavo che una teoria fondamentale dovesse prevedere tutto, compreso ciò che sperimentiamo come realtà".
Perdita in aumento
Da allora alcuni scettici della proposta iniziale si sono avvicinati all'idea, tra cui Isaac Kim, scienziato informatico dell'Università della California, Davis, e John Preskill, fisico quantistico presso il California Institute of Technology e uno dei luminari presenti al la resa dei conti del firewall del 2013.
"Abbiamo sentito attraverso la vite che questo lavoro stava arrivando", ha detto Kim. "Sembrava che qualcosa dovesse andare storto."
Kim era innervosita dall'uso della postselezione. Le precedenti applicazioni della postselezione avevano incluso progetti per macchine del tempo e computer quantistici irragionevolmente potenti, quindi il suo aspetto è balzato fuori come una bandiera rossa. Sospettava che i dettagli mancanti dal codice iniziale, come il modo in cui funziona per un astronauta che misura le radiazioni all'esterno e poi cade dentro, potessero combinarsi con la postselezione per confondere anche la prospettiva esterna e cancellare le informazioni lì.
Poi, a dicembre, Kim e Preskill aggiornato il codice e ha scoperto che il buco nero continuava tranquillamente a irradiare informazioni nell'immagine esterna. Hanno anche scoperto che la post-selezione non serviva da scappatoia per il buco nero per eseguire calcoli assurdamente potenti o per lanciare gli astronauti nel futuro.
"Incredibilmente all'interno di questo modello, anche se si consente la postselezione, ciò non accade", ha affermato. "Questo è ciò che mi ha convinto che qui sta succedendo qualcosa di corretto."
DeWolfe e il suo collaboratore Kenneth Higginbotham generalizzato ulteriormente il codice con perdita in Aprile. Hanno anche concluso che potrebbe resistere alla caduta degli astronauti.
Altri ricercatori hanno passato gli ultimi mesi a verificare se le loro teorie gravitazionali preferite nascondono la perdita. In ottobre, Arjun Kar dell'Università della British Columbia ha portato il codice lossy di Harlow e colleghi in una ben nota teoria della gravità 2D e ha scoperto che reggeva. "Sembrano davvero aver scoperto qualcosa di interessante sulla correzione degli errori quantistici", ha detto.
Continuare lungo questo percorso - cercare la perdita in più teorie della gravità - è il modo principale in cui i fisici sperano di costruire o distruggere la fiducia che la gravità reale funzioni effettivamente in questo modo. Pochi sognano di sondare il codice con un esperimento.
"Non è chiaro come potremmo mai testare questo resoconto", ha detto Aaronson, "se non per provare a costruire ulteriormente una teoria quantistica della gravità su di esso e vedere se quella teoria ha successo".
Harlow, tuttavia, è un sognatore. “Non credo sia impossibile. È solo difficile”, ha detto, esponendo il seguente esperimento mentale.
Metti un minuscolo buco nero in una scatola e catturi ogni fotone della radiazione di Hawking che esce da esso, memorizzando tutte quelle informazioni in un computer quantistico. Poiché quell'informazione sembrerebbe esistere all'interno del buco nero dal punto di vista di una particella interna, la manipolazione della radiazione potrebbe influenzare istantaneamente la particella: una vera azione a una distanza abbastanza inquietante da perseguitare qualsiasi fisico. "Non dovrebbe esserci nulla che io possa fare alle radiazioni che cambino qualcosa all'interno", ha detto Harlow. "È un crollo che si è verificato perché hai attraversato la frontiera della complessità."
Ma anche per fantasticare su un simile esperimento, Harlow deve passare a un universo eterno per concedersi abbastanza tempo, poiché l'attività nel nostro cosmo in espansione si esaurirebbe trilioni di volte prima che si possa sperare di manipolare la radiazione anche del più piccolo dei buchi neri. (Inoltre, Susskind e altri che lavorano su a relativo angolo del puzzle del buco nero hanno recentemente trovato idee sovrapposte relative alla complessità e a periodi di tempo insondabilmente lunghi.)
Tuttavia, Harlow non è scoraggiato da dettagli minori come la morte termica dell'universo. Se gli esperimenti mentali impossibili che coinvolgono treni che viaggiano quasi alla velocità della luce fossero abbastanza buoni per Einstein, crede, sono abbastanza buoni per lui.
"Non abbiamo ancora i treni, ma [la relatività] ha conseguenze per varie altre cose che abbiamo testato", ha detto.
Harlow è l'ultimo di una lunga serie di fisici dei buchi neri con una relazione con prove fisiche che gli osservatori casuali potrebbero trovare sorprendenti. Dopotutto, nessuno ha mai visto un fotone della radiazione di Hawking, e nessuno lo farà mai. È troppo debole, anche se hai parcheggiato il James Webb Space Telescope in orbita attorno a un vero buco nero.
Ma ciò non ha impedito a più generazioni di fisici, da Stephen Hawking e Leonard Susskind a Netta Engelhardt, Chris Akers e dozzine di altri, di discutere animatamente su come gestire il fascio di conflitti che esce dal buco nero insieme al bagno teorico di fotoni.
Anche mentre costruiscono e rafforzano i loro casi, riconoscono che l'unico modo conclusivo per vedere se i buchi neri rappresentano l'ultima prigione cosmica o un'ardente condanna a morte è intraprendere l'impensabile esperimento mentale originale.
"Se ci sono due persone che non si preoccupano di altro che risolvere il loro disaccordo, tutto ciò che possono fare è entrare", ha detto Penington. "O vengono vaporizzati entrambi all'istante e comunque non lo risolvono mai, oppure riescono a entrare e uno di loro dice: 'Oh, abbastanza giusto, mi sbagliavo.'"
Nota del redattore: un certo numero di scienziati presenti in questo articolo, tra cui Daniel Harlow e Chris Akers, hanno ricevuto finanziamenti dalla Simons Foundation, che finanzia anche questa rivista editoriale indipendente. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla nostra copertura. Maggiori dettagli sono disponibile qui.
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/new-calculations-show-how-to-escape-hawkings-black-hole-paradox-20230802/
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