Introdução
Em agosto de 2013, dezenas de renomados físicos teóricos se reuniram em Santa Bárbara, Califórnia, para discutir uma crise. Sua tênue compreensão dos buracos negros estava desmoronando. Visto de longe, como se fosse através de um telescópio, um buraco negro deveria se comportar como um planeta, uma estrela ou qualquer outro conglomerado de partículas elementares. Mas se os físicos acreditaram no trabalho de Albert Einstein, como a maioria deles, então consequências impossíveis surgiram quando consideraram o buraco negro do ponto de vista de alguém que estava dentro de seus limites.
Um experimento mental no ano anterior aguçou esse choque de perspectivas, encerrando abruptamente um armistício de duas décadas entre aqueles que acreditavam que a visão externa era fundamental e aqueles que se concentravam na visão interna. De repente, todos os tipos de crenças físicas sacrossantas estavam em debate. Aqueles por trás do experimento mental sugeriram, desesperadamente, que os interiores dos buracos negros podem simplesmente não existir – que o espaço-tempo terminava na borda do buraco negro em um parede de fogo literal.
Como uma extensão desse pensamento, um participante da conferência até sugeriu, em grande parte em tom de brincadeira, que o paradoxo parecia implicar que as leis conhecidas da física podem simplesmente quebrar em todos os lugares o tempo todo, uma observação que rendeu uma risada digna de Comedy Cellar. . Um dos participantes mais juniores, Daniel Harlow, pegou o microfone e reagiu com um único “Cara” incrédulo, antes de conduzir a conversa de volta a um terreno menos herético.
“Houve apenas uma enxurrada” de brainstorming, disse Patrick Hayden, um cientista da computação que se tornou físico na Universidade de Stanford. “A disposição das pessoas de arriscar com ideias malucas foi chocante.”
Depois de mais uma década discutindo e calculando, Harlow, agora um físico sênior do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, acredita que ele e uma equipe de teóricos promissores finalmente encontraram a maneira, ou pelo menos uma maneira, de enquadrar o exterior. e vistas internas. Ao fazer isso, eles estabeleceram uma espécie de détente entre os mundos em guerra da relatividade e da teoria quântica. Sua resolução, que une ideias distantes da teoria da informação quântica e cálculos revolucionários de 2019, é uma tentativa duramente conquistada e indutora de dor de cabeça de ter o exterior e manter muito do interior também.
“Eles conseguiram mostrar que, pelo menos em princípio, essa tensão pode ser resolvida”, disse Tom Hartmann, um físico da Cornell University que encontrou uma característica emblemática de sua teoria em outro modelo de gravidade.
Introdução
Embora seu procedimento atualmente funcione apenas com uma caricatura básica de um buraco negro, ele captura muitas das características peculiares das estrelas colapsadas. Se valer para buracos negros reais, responderá conclusivamente a uma manopla de perguntas clássicas sobre buracos negros, desde o que um astronauta experimentaria ao cair em um buraco negro até o destino final da informação contida no arranjo de suas moléculas.
“Representa até certo ponto o fim de uma revolução, e não um começo”, disse Geoff Penington, um físico da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e colaborador do novo trabalho.
“É muito emocionante. Pode estar errado, mas acho que essa é a essência certa”, disse Oliver De Wolfe, um físico da Universidade do Colorado, Boulder e um dos poucos pesquisadores que desenvolveram a proposta de Harlow e companhia no ano passado.
O grupo se esforça para salvar o interior do buraco negro do sacrifício total, infligindo uma ferida na carne: em uma reviravolta irônica, Harlow e companhia propõem que as leis familiares da física se quebram dentro de um buraco negro - e talvez em todos os lugares o tempo todo. Mas eles o fazem de uma forma previamente desconhecida, muito sutil para que alguém tenha notado. Na raiz está uma restrição não da matéria ou do material do espaço-tempo. Em vez disso, vem de argumentos relativos à complexidade – as possibilidades essencialmente infinitas contidas em vastos volumes de informação quântica.
Da radiação Hawking aos firewalls
Uma sessão no workshop de Santa Bárbara foi conduzida pelo principal arquiteto da revolução do buraco negro. Entrando pelo skype de seu escritório em Cambridge em uma ampla tela de projetor, um Stephen Hawking defendeu a noção de que o espaço e o tempo sobrevivem dentro do interior do buraco negro. “Algum tempo atrás, escrevi um artigo que deu início a uma polêmica que dura até os dias de hoje”, começou ele.
Essa controvérsia gira em torno da maneira como os buracos negros parecem ser palcos do maior ato de desaparecimento do universo.
Em 1974, Hawking calculado que ao redor do horizonte de eventos – a esfera sem retorno em torno de um buraco negro – as flutuações quânticas criam pares de partículas. Um parceiro cai no buraco negro enquanto o outro escapa. Com o tempo, os parceiros se acumulam dentro e fora do buraco negro, de onde voam em uma nuvem em expansão de “radiação Hawking”.
O problema começou com o fato de que, nos termos da mecânica quântica, cada dupla está ligada por emaranhamento, o que significa que as duas partículas juntas carregam uma unidade de informação. Cada parceiro é como a face de uma moeda, que pode ser usada para responder a uma pergunta de sim ou não. Essa capacidade simples de sim ou não é chamada de “bit” ou “qubit” se o objeto puder existir em uma combinação quântica chamada superposição. Mas ao contrário das duas faces de uma moeda, as partículas emaranhadas podem se separar. Ainda assim, se uma medição encontrar um parceiro externo lendo “cara”, outra medição certamente encontrará o parceiro interno lendo “coroa”.
Isso parece entrar em conflito com uma segunda consequência do cálculo de Hawking. À medida que o buraco negro irradia partículas, ele eventualmente evapora completamente. Depois de incontáveis eras, apenas a nuvem de radiação permanece. Mas como cada parceiro externo compartilha um bit com seu parceiro interno, a radiação Hawking sozinha faz tão pouco sentido quanto um cofrinho cheio de moedas de um lado. Os qubits de informação dentro do buraco negro, que registram a vida do buraco negro e tudo o que caiu nele, aparentemente desaparecem – um desenvolvimento absurdo.
Introdução
“Tudo bem, desde que esse material esteja dentro de algum lugar”, disse Samir Mathur, físico da Ohio State University e um dos coordenadores da conferência de 2013. “Mas se o buraco negro desaparecer, os caras do lado de fora não terão nenhum estado definido.”
O enigmático fim dos velhos buracos negros levou os físicos a adotar uma das duas visões conflitantes, dependendo se suas lealdades estavam com a teoria do espaço-tempo curvo de Einstein, conhecida como relatividade geral, ou com a mecânica quântica. Hawking, por muitos anos, apostou em Einstein. Se prender partículas e apagar seus qubits violava uma proibição da mecânica quântica em moedas de um lado, acreditava Hawking, então pior para a mecânica quântica.
Outros preferiram manter a mente fora do buraco negro. Eles ficaram do lado da mecânica quântica, que garante rigorosamente a noção romântica de que a informação nunca é realmente perdida. Depois de queimar um diário, por exemplo, pode-se imaginar capturar a nuvem de fumaça, cinzas e calor e reconstruir as frases perdidas. Um buraco negro pode embaralhar as partículas de um diário com mais violência do que uma fogueira, mas a mesma lógica se aplica. Se a radiação de Hawking foi tudo o que restou, então as informações do texto devem ter vazado de alguma forma - não importa que a teoria do espaço-tempo de Einstein exija que ela fique presa dentro dele.
A peça final do paradoxo foi que a análise de Hawking descobriu que a radiação era perfeitamente aleatória – desprovida de qualquer informação para decodificar. Seu trabalho sugeriu duas conclusões conflitantes: que os buracos negros evaporam (o que implica que a radiação deveria eventualmente levar embora a informação) e que a radiação não carrega informação. Os dois não podiam estar certos, então a maioria dos físicos assumiu que Hawking havia errado de alguma forma.
Mas seu erro não foi óbvio. Hawking descobriu tanto a radiação quanto sua aleatoriedade analisando a maneira como os campos quânticos agem em um espaço-tempo ligeiramente curvo – uma estrutura rigorosamente testada conhecida como física semiclássica. A abordagem semiclássica de Hawking baseava-se apenas em aspectos da mecânica quântica e da relatividade geral que pareciam irrepreensíveis. Tratamentos semelhantes formam os fundamentos da maioria das teorias modernas, incluindo o celebrado Modelo Padrão da física de partículas.
Os físicos esperam que a física semiclássica vacile quando a gravidade se intensifica, como acontece no centro ainda inescrutável de um buraco negro, muito além de seu horizonte de eventos. Mas para grandes buracos negros, o próprio horizonte de eventos deve ser praticamente inofensivo; um astronauta curioso e bem equipado poderia cair e sobreviver por um longo tempo antes de encontrar sua morte inevitável perto do centro. De fato, no horizonte do enorme buraco negro no centro da galáxia M87, o primeiro buraco negro para ser visualizada diretamente, a gravidade não puxa tanto mais difícil do que na Terra. Se Hawking estava fazendo suposições semiclássicas defeituosas, então todos os outros no planeta também estão. “Se as leis da física descritas pela [física semiclássica] funcionarem aqui na Terra”, disse Alex Maloney, um físico da McGill University, “por que eles não deveriam trabalhar no horizonte de eventos?”
Depois de décadas de debate sobre o suposto erro de Hawking, alguns físicos tentaram negociar uma trégua entre os dois lados. Em 1993, Leonard Susskind da Universidade de Stanford começou a defender a visão de que não havia erro. Grosso modo, o conflito surgiu de uma aspiração irrealista de manter o interior e o exterior do buraco negro na mente ao mesmo tempo.
Em vez disso, argumentaram Susskind e seus colaboradores, a história que um astronauta do lado de fora contaria era simplesmente diferente do que um astronauta em queda relataria. Um astronauta distante testemunharia seu companheiro se espalhando na superfície do buraco negro, que ondularia ao absorver o invasor. Eles observariam a informação se espalhar pela face do buraco negro e, eventualmente, chiar como radiação, sem nunca desaparecer dentro dele. Do ponto de vista do companheiro, no entanto, ela entra com segurança no buraco negro, onde ela e suas informações ficam presas. Seu relato diverge do de sua amiga, mas como ela não pode enviar uma mensagem para contradizer o relatório, há realmente um problema? As duas narrativas poderiam ser, em certo sentido, complementares.
“Sempre achei isso confuso”, disse Scott Aaronson, um cientista da computação teórico da Universidade do Texas, em Austin, mas “as pessoas decidiram por isso por uma ou duas décadas”.
Em 2012, quatro físicos apareceram e destruíram o argumento da complementaridade. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski e James Sully - um esquadrão comumente chamado por suas iniciais, AMPS - detalharam um passo a passo experimento de pensamento isso permitiria que um único observador testemunhasse o buraco negro guardando informações em dois lugares ao mesmo tempo.
Primeiro, um astronauta do lado de fora recolhe cada partícula que um buraco negro emite durante a maior parte de seus 1067-ano de vida. Supondo que a informação penetre na radiação, alguns parceiros externos devem ter se emaranhado, dando-lhes estados definidos. O astronauta analisa essas partículas e confirma que estão emaranhadas. “Suponha que você tenha uma bolsa [de pesquisa] muito longa”, disse Aaronson.
Ela então mergulha no buraco negro e confirma que alguns parceiros que ela estudou do lado de fora também estão emaranhados com parceiros do lado de dentro. O cálculo semiclássico de Hawking indica que ela encontrará isso, implicando que o que parecia ser moedas justas de dois lados fora do buraco negro está escondendo uma terceira face ilegal dentro.
A AMPS provou que não havia como se esconder do paradoxo de Hawking. Eles relutantemente ficaram do lado da mecânica quântica fora do buraco negro e, como consequência, sacrificaram o espaço interno: talvez o buraco negro tenha vaporizado a matéria em queda com um “firewall” no horizonte, impedindo qualquer astronauta intrometido de terminar o experimento. “O buraco negro simplesmente não tem um interior”, disse Aaronson, descrevendo sua conclusão. “Quando você tenta pular, encontra o fim do espaço-tempo.”
Ninguém se sentiu bem com essa ideia, pois não havia indicação da física semiclássica de que passar pelo horizonte deveria ser diferente de cruzar a fronteira de Illinois para Iowa. A comunidade organizou uma série de workshops para debater maneiras de sair da bagunça, culminando na Reunião Santa Bárbara.
“Tivemos alguns meses divertidos com todos tentando acabar com essa discussão e sem sucesso”, disse Harlow.
No meio do caos, Harlow formou uma colaboração com Hayden – então um cientista da computação – para estudar o que seria necessário para um astronauta realmente fazer o experimento AMPS. Eles trataram o buraco negro como um dispositivo de criptografia quântica – algo que recebe informações legíveis (matéria normal) e cospe o que parece ser informação embaralhada (a radiação). Nesse contexto, pode-se imaginar a realização do experimento AMPS usando uma máquina para decifrar as informações – uma máquina como um computador quântico. E com um resultado importante da tese de doutorado de Aaronson sobre os limites da computação quântica, eles descobriram algo curioso.
Um buraco negro pulveriza a matéria em queda tão completamente que, se um astronauta realmente encarregasse um computador quântico de desembaralhar a radiação, a tarefa levaria eras. Levaria tanto tempo que o buraco negro desapareceria antes que a barra de progresso atingisse uma fração de 1%. E a essa altura, o astronauta não seria capaz de pular para pegar informações de fora fazendo bico no lado de dentro, porque o lado de dentro não existiria.
“Essa foi uma observação com a qual realmente não sabíamos o que fazer”, disse Harlow. “Finalmente, 10 anos depois, sabemos o que fazer com isso.”
Como criar espaço-tempo em um computador quântico
Após o trabalho de 2013, Harlow deixou os buracos negros de lado para se concentrar em um problema mais simples: o próprio espaço vazio. Ele começou a estudar um tipo irreal de espaço invertido conhecido como espaço anti-de Sitter, que também admite duas descrições muito diferentes, da mesma forma que os buracos negros.
“Se eu entender o espaço anti-de Sitter bem o suficiente, isso sugerirá o caminho a seguir, de volta aos buracos negros”, Harlow lembrou-se de pensar. “E isso realmente deu certo.”
Introdução
Os físicos estão fascinados com o espaço anti-de Sitter porque ele se curva de uma forma exótica que permite que um volume infinito de espaço caiba dentro de um limite finito. Ainda mais impressionante, parece haver uma maneira de reformular qualquer evento que ocorra no espaço anti-de Sitter em termos de partículas que vivem no limite, que atuam de acordo com regras físicas completamente diferentes. Um sistema solar na região central anti-de Sitter, por exemplo, pode ser descrito como uma coleção de partículas espalhadas ao redor do limite que obedecem apenas à teoria quântica e não têm nenhum senso de gravidade ou espaço-tempo.
A principal questão para Harlow era como as partículas na fronteira, que não têm noção de espaço-tempo, poderiam capturar a experiência de um habitante de um planeta na região central, para quem o espaço-tempo é inegavelmente importante. Ingenuamente, poderíamos esperar encontrar um problema em que os eventos de fronteira poderiam reverberar instantaneamente pelo meio - um lugar onde os efeitos levariam tempo para se propagar. Por causa desse problema, a relação entre as partículas de fronteira e o espaço-tempo central deve ser frouxa, de modo que as mudanças de fronteira não afetem imediatamente o meio, mas não tão frouxa que a fronteira perca completamente a noção do que está acontecendo no centro. .
“Você precisa ser independente de todas as peças do sistema, mas não independente do sistema, que é como aaargh”, disse Harlow, levantando as mãos em frustração.
Por fim, Harlow percebeu que um grupo de pesquisadores já havia resolvido o problema. Eles não estavam pensando sobre a estrutura do espaço-tempo. Eles estavam inventando maneiras de os computadores quânticos corrigirem seus erros.
Para ter uma ideia de como a correção de erros incorpora o relacionamento Cachinhos Dourados que Harlow procurava, considere um esquema simples para codificar uma mensagem clássica de um bit em uma transmissão de três bits. Para indicar 1, transmita 111. Para indicar 0, transmita 000. Mesmo que ocorra um erro, o receptor pode apenas obter a maioria dos votos. Ele ainda entenderá 001 como significando 0, ou 011 como significando 1. Um único erro não estraga a mensagem, porque a informação reside em todos os dígitos. A mensagem é independente de cada peça individual, mas não independente de toda a transmissão – exatamente o que Harlow precisava. Corrigindo erros quânticos em qubits (em oposição aos bits clássicos) requer esquemas mais complicados, mas os dois problemas compartilham esse recurso de espalhar informações entre várias peças. Em 2014, Harlow colaborou com Almheiri da AMPS e Xi Dong da University of California, Santa Barbara para explicar como os códigos de correção de erros quânticos poderia espalhar informações de espaço-tempo anti-de Sitter entre os qubits de fronteira.
A essência da ideia era a seguinte. Imagine o ponto central no espaço anti-de Sitter como uma mensagem de um bit. As partículas de fronteira são os dígitos da transmissão. Divida o limite em três arcos. As partículas de qualquer arco conhecem os pontos anti-de Sitter dentro da região adjacente. Mas eles não sabem de pontos fora dessa região. Nenhum arco único conhece o ponto central, uma situação que lembra como nenhum único dígito de transmissão é suficiente para reconstruir a mensagem.
Introdução
Mas o ponto central está dentro da região combinada pertencente a quaisquer dois arcos - ecoando como dois dígitos de transmissão são suficientes para decifrar a mensagem. Desta forma, a correção de erros parecia ser uma linguagem adequada para entender o espaço vazio anti-de Sitter de duas perspectivas: ou como espaço-tempo baunilha ou, intrigantemente, como uma coleção de qubits quânticos sem espaço.
Introdução
“Isso é meio surpreendente”, disse DeWolfe. A informação quântica não é apenas para construir computadores quânticos. “Acontece que essas são ideias importantes o suficiente para que a gravidade quântica pareça usá-las.”
Harlow conseguiu vincular as duas formas de olhar para o espaço-tempo. O único problema era que a estrutura ficou aquém do objetivo pretendido. Quando o espaço-tempo continha um buraco negro, a correção de erros quânticos falhou.
Já em 2012, os físicos lançaram a ideia de abordar o interior do buraco negro com códigos de correção de erros. Mas, mais uma vez, as perspectivas conflitantes nos cálculos de Hawking os deixaram perplexos. Um astronauta dentro do horizonte de eventos veria parceiros de radiação em queda chover indefinidamente. A capacidade de informação do buraco negro, se você imaginá-lo como um disco rígido cósmico, aumenta cada vez mais ao longo de sua vida.
Enquanto isso, um astronauta fora de um buraco negro em seus anos dourados o veria literalmente encolhendo de tamanho à medida que evapora. Para alcançar a aspiração de enquadrar as duas perspectivas com correção de erros, Harlow parecia precisar de uma maneira de codificar o interior crescente em seu limite cada vez menor, uma tarefa como pedir a um marinheiro para encaixar a mensagem “SOS” em uma transmissão de um caractere.
“A história excluiu o interior dos buracos negros”, disse Christopher Akers, um pesquisador do MIT que, como aluno de pós-graduação do segundo ano em 2016, foi inspirado por um influente artigo de correção de erros de Harlow. “Isso me pareceu estranho, então passei muito tempo pensando em como você poderia incluir os buracos negros de uma maneira melhor.”
Ele levaria quatro anos para encontrar um, e outro ano para ajudar a convencer Harlow de que fazia algum sentido.
Uma receita para a fuga de informações
Enquanto Harlow e Akers separadamente intrigavam-se com o interior de um buraco negro, uma constelação de pesquisadores estava prestes a decifrar o exterior. Penington, um físico britânico em ascensão, foi um dos principais participantes. Ele havia perdido o drama do firewall na conferência de Santa Bárbara, já que em 2013 ele tinha 21 anos e estava no meio de seus estudos de graduação na Universidade de Cambridge.
Quando Penington visitou Stanford em 2015 como um futuro aluno de pós-graduação, ele se sentiu dividido entre estudar a gravidade quântica e a informação quântica para seu doutorado. Então ele conheceu Hayden. Penington ficou surpreso ao descobrir que sua mãe - Frances Kirwan, uma matemática em Oxford - havia sido uma das supervisoras de graduação de Hayden, e que Hayden, um canadense nativo, ajudou sua mãe a planejar uma viagem de canoa para a zona rural de Ontário que ele havia feito quando ele tinha 8 anos. Ele ficou ainda mais surpreso ao saber que Hayden estava no centro do esforço para explicar os buracos negros com qubits, misturando os dois interesses de Penington. A dupla decidiu trabalhar junto.
Hayden e Penington começaram com o que pensavam ser um problema abstrato sobre códigos imperfeitos de correção de erros, publicando um papel de informação quântica splashy em 2017. Esse trabalho não mencionou buracos negros ou espaço-tempo, mas no próximo ano eles trouxeram seus códigos para o espaço anti-de Sitter. Eventualmente, seguindo uma fórmula desenvolvida em 2014 por Netta Engelhardt, um colega físico milenar, Penington começou a suspeitar que uma região específica do espaço anti-de Sitter estava rastreando a entropia, uma quantidade relacionada à capacidade de informação da nuvem de radiação Hawking emaranhada que sai de um buraco negro. Ele passou o inverno de 2018-2019 trabalhando sozinho nos detalhes para verificar seu palpite.
“É o mais difícil que trabalhei continuamente em física em minha vida”, disse Penington. “Eu estava de férias no México no Natal, mas secretamente pensando nisso o tempo todo. Meus amigos ficavam perguntando: 'Por que você está tão quieto?'”
Mais ou menos na mesma época, Engelhardt estava fazendo um cálculo essencialmente idêntico. No início de 2019, ela uniu forças com Almheiri e Marolf da AMPS e Henry Maxfield de Stanford para usar a fórmula de 2014, que dá a entropia em uma situação envolvendo gravidade, para estudar as informações na radiação emaranhada fora do buraco negro.
As duas equipes obtiveram a mesma resposta, que revelaram em coordenado papéis em maio de 2019. Os cálculos equivaleram a contar as “cabeças” na radiação externa – que informa quantas “caudas” emaranhadas estão escondidas dentro do buraco negro. Para buracos negros jovens e vazios, o número de faces de moedas separadas aumenta à medida que o horizonte de eventos divide os pares de Hawking, exatamente como Hawking esperava. Mas com a idade, o número de faces separadas começa a cair – o que implica que o buraco negro se encheu e de alguma forma está esvaziando informações na radiação exterior, assim como a mecânica quântica exige.
Introdução
“Esses jornais de maio foram realmente incríveis”, disse Harlow. Ele ficou impressionado por eles terem “coragem para fazer o cálculo. Eu teria pensado que era muito difícil.
Por fim, Penington, Engelhardt e seus colaboradores pensaram ter entendido o que estava acontecendo fora do buraco negro. A informação estava de fato vazando para a radiação, como muitos físicos presumiram. Este fato teve três consequências cruciais.
Primeiro, estreitou as possibilidades do erro de Hawking. A radiação não poderia ser verdadeiramente aleatória, então por que a física semiclássica, de outra forma confiável, sugeriu que era?
Em segundo lugar, mudou sua fronteira de compreensão de fora do buraco negro para o interior. Como um astronauta dentro do horizonte de eventos de um velho buraco negro experimentaria a evaporação?
Por fim, sugeriu que a estrutura semiclássica de Hawking estava quase correta e que dar o primeiro passo para o interior não deveria exigir uma teoria completa da gravidade quântica. Eles conseguiram analisar o exterior usando ingredientes familiares do espaço-tempo. Mas com apenas uma receita ligeiramente ajustada (a fórmula da entropia de 2014), eles descobriram que a informação escapa do interior. Os cálculos os deixaram confiantes de que a visão semiclássica do interior do buraco negro não precisava ser abandonada. Os firewalls pareciam cada vez mais um passo longe demais.
“Se jogarmos fora a descrição do interior, estaremos jogando fora o bebê junto com a água do banho”, disse Engelhardt. “Existe uma maneira de usar a gravidade semiclássica para fazer um cálculo correto.”
Engelhardt, especialista em entropia gravitacional, tinha algumas das peças e parecia que Harlow tinha mais algumas. O escritório de Engelhardt no MIT divide uma parede com o de Harlow, então era natural que eles unissem forças. Na mesma época, Akers mudou-se para o MIT para se tornar seu pós-doutorando, e os três começaram a escolha o problema.
Como quebrar o espaço-tempo em um computador quântico
Como a pandemia forçou o mundo a entrar no início de 2020, o trio de acadêmicos mudou seus experimentos mentais de buraco negro dos quadros-negros do MIT para o ambiente digital do Zoom.
Seu objetivo era reunir todos os fios e desenvolver uma espécie de processo de conversão para transformar a perspectiva interior semiclássica na perspectiva externa da mecânica quântica. Tal teoria seria útil para um astronauta dentro do buraco negro. Ela poderia tirar uma foto do ambiente ao seu redor, executá-la através do procedimento e obter uma imagem que informasse o que um colega do lado de fora estava vendo. Embora as duas fotografias possam parecer capturar eventos diferentes, Rashomon estilo, a conversão deve revelar que as cenas são secretamente compatíveis. Seria um renascimento mais sofisticado da visão de complementaridade de Susskind.
Introdução
Akers já havia se convencido de que o programa de conversão deveria ser escrito na linguagem da correção quântica de erros, como Harlow já havia trabalhado para o espaço vazio. O interior semiclássico seria a mensagem, e o exterior quântico seria a transmissão. E dado que o interior parecia crescer dentro de um horizonte cada vez menor, eles teriam apenas que inventar um código de correção de erros que pudesse amontoar um SOS em um único S.
Akers enfrentou o ceticismo de seus colegas. A forma como a codificação teria que deletar as informações dentro do buraco negro violou a proibição da mecânica quântica contra a perda de informações. Se a astronauta do interior queimasse seu registro de missão, ela poderia não ser capaz de reconstruir uma réplica das cinzas.
“Se você está modificando a mecânica quântica, as pessoas vão pensar que você é maluco, e geralmente elas estarão certas”, disse Harlow. “Eu estava hesitante.”
Mais tarde naquele ano, uma estudante de pós-graduação do MIT (agora em Stanford) chamada Shreya Vardhan se juntou à equipe. Ela fez alguns cálculos concretos de entropia que finalmente convenceram a todos de que quebrar levemente a mecânica quântica interna era a única maneira de salvá-la completamente externamente.
“Shreya e Chris, em particular, estavam pressionando isso de maneiras diferentes”, disse Harlow. “Shreya quebrou a última barreira para mim e percebi que isso realmente faz sentido.”
Akers estava trabalhando com Penington, então ele também se envolveu. O esforço levou alguns anos de trabalho intermitente. E assim que eles se sentaram para escrever seus resultados, três quintos da equipe contraíram simultaneamente o Covid-19. Mas em julho passado eles finalmente postou uma pré-impressão detalhando sua teoria de como o interior do buraco negro pode ser codificado em seu exterior com o código de correção de erros mais estranho do mundo.
Veja como funciona. Um astronauta abnegado dentro do buraco negro registra a configuração de todos os fótons, elétrons e outras partículas ao seu redor e ao buraco negro – um arquivo de dados quânticos composto por um monte de qubits que capturam sua experiência semiclássica. Seu objetivo é entender a perspectiva quântica de seu parceiro lá fora naquele momento. O grupo desenvolveu um algoritmo de duas etapas que se poderia imaginar rodando em um computador quântico para converter aquele instantâneo interior.
Primeiro, o programa embaralha os qubits semiclássicos quase irreconhecíveis usando uma das transformações mais aleatórias da matemática.
Depois vem o molho secreto. A segunda etapa envolve a pós-seleção, uma estranha operação mais comumente usada pelos teóricos da informação do que pelos físicos. A pós-seleção permite que um experimentador monte um processo aleatório para obter um resultado desejado. Digamos que você queira jogar uma moeda e obter 10 caras seguidas. Você pode fazer isso, desde que tenha paciência para recomeçar toda vez que der coroa. Da mesma forma, o programa de codificação começa a medir os qubits semiclássicos, mas reinicia toda vez que obtém um 1. Eventualmente, quando tiver medido a maioria dos qubits embaralhados e obtido com sucesso uma sequência de zeros, ele descartará esses qubits. Os poucos qubits não medidos restantes representam os pixels da imagem quântica do buraco negro visto do exterior. Assim, o código espreme um grande arquivo RAW semiclássico em um JPEG quântico compacto.
É “uma maneira com perdas de comprimir muitas informações semiclássicas em um espaço quântico finito”, disse Hartman, de Cornell.
Mas há um grande problema. Como tal programa poderia apagar tanta informação semiclássica sem apagar nenhum detalhe essencial? O procedimento implica que a física semiclássica está cheia de cotão – configurações de partículas que o astronauta interior pode observar que não são realmente reais. Mas a física semiclássica foi rigorosamente testada em colisores de partículas na Terra, e os experimentadores não viram sinais de tais miragens.
“Quantos estados são codificados de forma confiável? E quão bem a teoria semiclássica pode fazer isso?” Hartman disse. “Dado que tem que ser com perdas, não é óbvio que possa fazer qualquer coisa.”
Para explicar como uma teoria falha poderia funcionar tão bem, a equipe se voltou para a estranha observação que Hayden e Harlow fizeram em 2013, de que decodificar a radiação para o experimento AMPS levaria tantos passos que seria efetivamente impossível. Talvez a complexidade possa estar encobrindo rachaduras na física semiclássica. A codificação não estava excluindo configurações à toa. Ele apagou apenas certos arranjos de partículas que eram complexos no sentido de que levariam tanto tempo para surgir que o astronauta interior nunca poderia esperar vê-los.
Argumentar que o código deixou estados simples essencialmente intocados constituiu a maior parte do trabalho. O grupo argumentou que, para qualquer versão de seu processo de duas etapas, a criação de uma configuração semiclássica complexa sem contrapartida de uma perspectiva externa levaria essencialmente uma eternidade – algo como 10,000 vezes a idade atual do universo apenas para um subatômico de 50 qubits. partícula de um buraco negro. E para um buraco negro real, como o M87 com seus 1070-qubits ímpares, um experimento que quebrou a física semiclássica levaria exponencialmente mais tempo do que isso.
A equipe propõe que os buracos negros destaquem uma nova quebra na estrutura estabelecida da física. Assim como Einstein uma vez previu que a noção de distâncias rígidas de Newton falharia em velocidades suficientemente altas, eles prevêem que a física semiclássica falha em experimentos extremamente complexos envolvendo números impensáveis de etapas e comprimentos de tempo incompreensíveis.
Os firewalls, acredita o grupo, seriam uma manifestação dessa complexidade impensável. Um buraco negro real como o de M87 só existe há bilhões de anos - não o suficiente para que o interior semiclássico se quebre em um firewall. Mas se alguém fosse capaz de fazer experimentos complicados e improváveis, ou se um buraco negro vivesse por um tempo extremamente longo, todas as apostas semiclássicas seriam canceladas.
“Existe uma fronteira de complexidade”, disse Harlow. “Quando você começa a fazer coisas exponenciais, então [a física] realmente começa a ser diferente.”
Salvo pela Maldição da Complexidade
Depois que os físicos se convenceram de que as perdas do código não levariam a rachaduras perceptíveis na física semiclássica dentro do buraco negro, a equipe investigou as consequências. Eles descobriram que o bug aparente acabou sendo o recurso definitivo.
“Parece ruim. Parece que você vai perder informações porque está excluindo muitos estados”, disse Akers. Mas “acontece que é tudo o que você sempre quis”.
Em particular, vai além do trabalho de 2019 ao abordar como as informações saem do buraco negro. Ou melhor, sugere que os qubits não estão exatamente dentro, para começar.
O segredo está na segunda etapa da conversão, a pós-seleção. A pós-seleção envolve os mesmos ingredientes matemáticos, ou seja, a medição de parceiros emaranhados, como um processo quântico clássico que teletransporta informações de um local para outro. Assim, embora o processo de conversão não seja um evento físico que se desenrola no tempo, ele explica como a informação parece mudar do interior para o exterior.
Essencialmente, se o astronauta do interior converter um instantâneo tirado no final da vida do buraco negro, ele aprenderá que a informação que parece residir em partículas ao seu redor – ou mesmo em seu próprio corpo – é da perspectiva externa realmente flutuando no Hawking. radiação externa. Com o passar do tempo, o processo de conversão revelará cada vez mais que seu mundo é irreal. No instante anterior ao desaparecimento do buraco negro, apesar da impressão do astronauta em contrário, suas informações existirão quase inteiramente do lado de fora, embaralhadas na radiação. Ao rastrear esse processo, instantâneo por instantâneo, o grupo conseguiu derivar a fórmula de entropia de Engelhardt que encontrou informações na radiação em 2019. Também é um subproduto das perdas da conversão.
Em suma, a conversão explica como um astronauta pode experimentar, sem saber, um interior que se distancia cada vez mais da realidade externa à medida que amadurece. O erro de Hawking, eles argumentam, foi colocar-se totalmente no lugar do astronauta interior e assumir que a física semiclássica funcionava perfeitamente bem dentro e fora do buraco negro.
Ele não percebeu, como Harlow e companhia agora acreditam, que a física semiclássica falha em capturar com precisão fenômenos e experimentos que requerem complexidade exponencial. Decodificar as informações embaralhadas na radiação levaria um tempo exponencialmente longo, por exemplo, e é por isso que sua análise semiclássica prevê erroneamente que a radiação não terá características. Os recursos estão lá; levaria apenas muitas, muitas vezes a idade do universo para descobri-los.
Além disso, há uma razão pela qual a capacidade de informação do interior parece crescer enquanto o tamanho da superfície do buraco negro diminui: o cálculo semiclássico inclui erroneamente um grande número de estados complexos que não têm contrapartes quânticas externas. Se os físicos levarem em consideração as maneiras pelas quais a complexidade pode mexer com a física semiclássica, o choque entre a imagem do espaço-tempo interno e a imagem quântica externa evapora.
“Agora vemos um caminho consistente através do paradoxo”, disse Harlow.
Confusão do Buraco Negro
Apesar de toda a confiança de Harlow, no entanto, outras pessoas na comunidade dos buracos negros têm muitas perguntas.
A principal limitação é que as teorias que o código conecta são extremamente simples. A descrição da mecânica quântica tem uma coleção de qubits que irradia informações. A descrição semiclássica tem um interior separado de um exterior por um horizonte de eventos. E é isso. Não há gravidade e nenhum senso de espaço-tempo. O código tem as principais características do paradoxo, mas carece de muitos detalhes que seriam necessários para argumentar que os verdadeiros buracos negros operam dessa maneira.
“A esperança, como sempre, é que você tenha um modelo de brinquedo do qual extraiu toda a física importante e descartou toda a física sem importância”, disse Maloney. “Existem boas razões para pensar que isso é verdade aqui, mas mesmo assim é importante ser cauteloso.”
Existem muitas soluções alternativas, e a gravidade real ainda pode resolver o paradoxo de uma dessas maneiras. Mathur, do estado de Ohio, por exemplo, lidera um programa de pesquisa que estuda uma dessas opções. Ao analisar o que aconteceria com uma estrela em colapso na teoria das cordas, ele e seus colaboradores descobriram que as cordas podem interromper o colapso. Eles formam uma massa contorcida, um “bola de pelo”, cuja intrincada contorção impediria a formação de um horizonte de eventos – e um paradoxo. Mathur levanta várias objeções à nova solução e geralmente acredita que o código com perdas é uma proposta excessivamente complicada. “O paradoxo da informação foi resolvido há muito tempo”, disse ele. (Por fuzzballs.)
Enquanto isso, Marolf, que trabalhou com Engelhardt para localizar as informações na radiação em 2019, suspeita que sua solução pode ser excessivamente conservadora. "Minha preocupação é que é quase fácil demais", disse ele.
Ele engasga com as perdas, o que significa que o código em sua forma atual fornece respostas únicas apenas para o astronauta interior. Se um astronauta externo tirar uma foto e quiser saber o que ela diz sobre o interior, ele terá que adivinhar os pixels semiclássicos que o código apaga. Mesmo que esses estados sejam, em certo sentido, ilusórios, eles são essenciais para a compreensão da experiência humana interior. Para alguns palpites, ele pode encontrar um interior calmo. Em outros, um firewall furioso. Não importa o quão refinada seja a teoria quântica do lado de fora, ela nunca será capaz de dizer com certeza o que ele encontraria se entrasse.
“Isso me incomoda um pouco”, disse Marolf. “Eu teria pensado que uma teoria que é fundamental deveria prever tudo – incluindo o que experimentamos como realidade.”
Perdas em ascensão
Alguns céticos da proposta inicial aceitaram a ideia desde então, incluindo Isaac Kim, um cientista da computação da Universidade da Califórnia, Davis, e John Preskill, um físico quântico do California Institute of Technology e um dos luminares presentes na o confronto de firewall de 2013.
“Ouvimos boatos de que esse trabalho estava chegando”, disse Kim. “Parecia que algo tinha que dar errado.”
Kim ficou nervoso com o uso da pós-seleção. Aplicações anteriores de pós-seleção incluíram projetos para máquinas do tempo e computadores quânticos excessivamente poderosos, então sua aparência saltou como uma bandeira vermelha. Ele suspeitava que os detalhes que faltavam no código inicial, como o funcionamento de um astronauta que mede a radiação do lado de fora e depois cai, poderiam se combinar com a pós-seleção para estragar até mesmo a perspectiva externa e deletar informações ali.
Então, em dezembro, Kim e Preskill atualizei o código e descobriu que o buraco negro continuou com segurança a irradiar informações na imagem externa. Eles também descobriram que a pós-seleção não serviu como uma brecha para o buraco negro realizar cálculos absurdamente poderosos – ou lançar astronautas de volta ao futuro.
“Surpreendentemente dentro desse modelo, mesmo que você permita a pós-seleção, isso não acontece”, disse ele. “Foi isso que me convenceu de que algo correto está acontecendo aqui.”
DeWolfe e seu colaborador Kenneth Higginbotham generalizou ainda mais o código com perdas em abril. Eles também concluíram que poderia suportar a queda de astronautas.
Outros pesquisadores passaram os últimos meses verificando se suas teorias favoritas da gravidade estão escondendo perdas. Em outubro, Arjun Kar da University of British Columbia código com perdas portado de Harlow e colegas em uma conhecida teoria da gravidade 2D e descobriu que ela se sustentava. “Eles realmente parecem ter encontrado algo interessante sobre a correção de erros quânticos”, disse ele.
Continuar nesse caminho – procurar perdas em mais teorias da gravidade – é a principal maneira pela qual os físicos esperam construir ou destruir a confiança de que a gravidade real realmente funciona assim. Poucos sonham em testar o código com um experimento.
“Não está claro como testaríamos essa conta”, disse Aaronson, “exceto para tentar construir uma teoria quântica da gravidade em cima dela e ver se essa teoria é bem-sucedida”.
Harlow, no entanto, é um sonhador. “Não acho impossível. É apenas difícil,” ele disse, expondo o seguinte experimento mental.
Você coloca um minúsculo buraco negro em uma caixa e captura cada fóton da radiação Hawking que sai dela, armazenando toda essa informação em um computador quântico. Como essa informação parece existir dentro do buraco negro do ponto de vista de uma partícula interior, a manipulação da radiação pode afetar instantaneamente a partícula – uma verdadeira ação a uma distância assustadora o suficiente para assombrar qualquer físico. “Não deve haver nada que eu possa fazer com a radiação que mude alguma coisa no interior”, disse Harlow. “Esse é um colapso que ocorreu porque você cruzou a fronteira da complexidade.”
Mas mesmo para fantasiar sobre tal experimento, Harlow tem que mudar para um universo eterno para ter tempo suficiente, já que a atividade em nosso cosmos em expansão diminuiria trilhões de vezes antes que alguém pudesse esperar manipular a radiação até mesmo do menor dos buracos negros. (Além disso, Susskind e outros trabalhando em um ângulo relacionado do quebra-cabeça do buraco negro encontraram recentemente ideias sobrepostas relacionadas à complexidade e a períodos de tempo insondavelmente longos.)
No entanto, Harlow não se intimida com detalhes menores, como a morte térmica do universo. Se experimentos mentais impossíveis envolvendo trens viajando quase à velocidade da luz foram bons o suficiente para Einstein, ele acredita, eles são bons o suficiente para ele.
“Ainda não temos os trens, mas [a relatividade] tem consequências para várias outras coisas que testamos”, disse ele.
Harlow é o último de uma longa linhagem de físicos de buracos negros com uma relação com evidências físicas que observadores casuais podem achar surpreendente. Afinal, ninguém jamais viu um fóton da radiação Hawking, e ninguém jamais verá. É muito fraco, mesmo que você estacione o Telescópio Espacial James Webb em órbita ao redor de um buraco negro real.
Mas isso não impediu várias gerações de físicos, de Stephen Hawking e Leonard Susskind a Netta Engelhardt, Chris Akers e dezenas de outros, de debater animadamente como lidar com o pacote de conflitos que saem do buraco negro junto com o banho teórico. de fótons.
Mesmo enquanto constroem e fortalecem seus casos, eles reconhecem que a única maneira conclusiva de ver se os buracos negros representam a prisão cósmica definitiva ou uma sentença de morte ardente é embarcar no impensável experimento de pensamento original.
“Se há duas pessoas que se preocupam com nada mais do que resolver seu desacordo, tudo o que podem fazer é intervir”, disse Penington. “Ou os dois são vaporizados instantaneamente e nunca resolvem o problema de qualquer maneira, ou eles entram e um deles diz: 'Oh, é justo, eu estava errado'.”
Nota do editor: Vários dos cientistas apresentados neste artigo, incluindo Daniel Harlow e Chris Akers, receberam financiamento da Simons Foundation, que também financia esta revista editorialmente independente. As decisões de financiamento da Simons Foundation não têm influência em nossa cobertura. Mais detalhes são disponíveis aqui.
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/new-calculations-show-how-to-escape-hawkings-black-hole-paradox-20230802/
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