Scinet.cz » Věda

Černé díry coby kvantové počítače?

10.4. 2006, Oldřich Klimánek

(Pro Český rozhlas Leonardo)

Podle některých vědců je možné získat informace z černých děr. Ukazují to výpočty Setha Lloyda, teoretického fyzika z Massachusettského technického institutu (MIT). Lloyd zjistit, že z černé díry se v průměru ztrácí pouze titěrné množství informace – jen půl kvantového bitu neboli quibitu –, nehledě na to, kolik bitů z díry uniká. Překvapivý objev značí, že černá díra by se mohla chovat jako kvantový počítač, jehož by šlo využít k užitečným kvantovým výpočtům – kdybychom jen věděli, jak jej naprogramovat.

Od chvíle, kdy Stephen Hawking ukázal, že černé díry nejsou úplně černé, že září, zajímalo fyziky, zda záření obsahuje informace o hmotě, z níž díra vznikla. „Jde o otázku, jež fyziky fascinovala a vyvolávala vášnivé debaty,“ říká Lloyd. Od 70. let 20. století, kdy Hawking aplikoval kvantovou mechaniku na černé díry, se problém označuje jako informační paradox černých děr.

Podle klasické, nekvantové, teorie gravitace (Einsteinovy obecné teorie relativity) jsou černé díry objekty, jejichž silná gravitace zpod tzv. horizontu událostí nepustí nic, co jej už jednou překročilo. Nicméně Hawking ukázal, že černé díry ve skutečnosti mají jistou teplotu, což znamená, že vydávají tepelné záření (známé jako Hawkingovo záření), čímž se pozvolna vypařují.

Hawking se původně domníval, že toto záření informace neobsahuje, tj. že jakákoli informace nesená světlem nebo hmotou spadlými do díry je nadobro ztracena, třebaže by se tím porušovaly zákony kvantové mechaniky, podle níž ke ztrátě informací docházet nesmí. Ovšem v roce 2004 Hawking uznal, že se mýlil a řekl, že informace z černé díry koneckonců uniknout může. Tímto prohlášením také prohrál sázku, kterou on a Kip Thorn z Kalifornského technického institutu (CalTech) uzavřeli s Johnem Preskillem (také z CalTechu). "Jenže problém jsme zatím nevyřešili úplně," říká Daniel Gottesman z Perimeter Institute ve Waterloo v Kanadě. "Hawking sice svůj názor změnil, ale mnoho dalších fyziků ne. Ještě existuje řada otázek o tom, k čemu skutečně dochází."

Lloydovy nové výpočty ukazují, že Hawkingovo záření obsahuje "zpracovanou verzi" informace, která vstoupila do díry, a že tato informace z ní uniká prostřednictvím modelu zvaného projekce koncového stavu. Tato hypotéza říká, že kvantová informace může nabýt jistého koncového stavu pouze v singularitách, třeba takových, jaké jsou ve středu černé díry.

Jinými slovy, v jistých extrémních podmínkách, které v černých dírách panují, má daný objekt pouze jednu možnost, jak se chovat, byť normálně jich může mít několik. Čili je mu dovoleno nabýt jen jeden určitý koncový stav. Například kdybyste v černé díře házeli mincí, vždycky by padla hlava.

To umožňuje informaci uniknout, aniž by došlo k problémům, jak únik interpretovat. Informace se ven dostává díky kvantové propletenosti; podle kvantové mechaniky nemusejí objekty být entitami na sobě nezávislými, nýbrž mohou být navzájem propojeny tak, že co jedna složka udělá, druhá půjde v jejích šlépějích a učiní totéž (byť je odděluje i velká vzdálenost).

Hawkingovo záření vzniká na vnitřní straně horizontu událostí a je složeno ze dvou komponent – jedna komponenta uniká z černé díry, druhá padá na singularitu. Složky záření jsou propleteny, takže když hmota pozřená černou dírou interaguje s padající komponentou Hawkingova záření v singularitě, interakce současně pozměňuje tu část Hawkingova záření, která černou díru opustila. Jelikož projekce koncového stavu nutí interakci chovat se jedním způsobem, uniklé záření nese informaci o hmotě uvnitř černé díry.

Myšlenku možnosti úniku informace z černé díry v modelu projekce koncového stavu poprvé předložili v roce 2004 Gary Horowitz a Juan Maldacena, jejich práce se ale setkala s kritikou, trpěla totiž problémy technického rázu.

Gottesman a jeho kolega John Preskill z CalTechu v Pasadeně zjistili, že předchozí výpočty v rámci tohoto modelu dovolovaly informaci uniknout pouze při speciálních interakcích mezi spadlou hmotou a padající složkou Hawkingova záření. Lloyd teď spočetl, že nahodilá povaha těchto interakcí znamená, že systém je takřka perfektně propleten. Při vypařovaní černé díry může unikající informace být obnovena s "věrnostním koeficientem" 0,85. To znamená, že asi pouze půl kvantového bitu informace se ztrácí bez ohledu na celkový počet unikajících bitů. Podle Lloyda tyto výsledky znamenají, že jednoho dne bychom černé díry mohli používat coby kvantové počítače. Nicméně naučit se, jak je programovat, bude záležet na plném pochopení kvantové gravitace a na experimentálním potvrzení projekce koncového stavu.

Mění se touto prací něco pro eventuální vesmírné cestovatele, které by černá díra pohltila? V konvenčních scénářích to s nimi nedopadne dobře – černá díra je v určitou chvíli rozcupuje na kousky a pozře. "Pasažéři hvězdné lodě by mohli mít nějakou záruku, že když spadnou do černé díry a rozdrtí je singularita, můžou být ,znovuzrozeni‘ při jejím vypařování," říká Lloyd.

Obě možnosti – černé díry coby kvantové počítače a možnost "přežití" pádu do černé díry – jsou však jen spekulacemi. Podle Gottesmana bychom museli skvěle pochopit vlastnosti specifických černých děr. "A museli bychom sesbírat každičký kousíček Hawkingova záření protože hvězdná loď by se smíchala se vším, co kdy do černé díry spadlo," poznamenává. "Takže byste museli vybírat, které bity patří lodi a které ostatním věcem. To je nemožné."

Lloyd souhlasí. Chtějí-li vědci pochopit, jak dekódovat unikající Hawkingovo záření, musejí sloučit kvantovou mechaniku a obecnou relativitu do bezešvého celku; budou muset mít hotový a plně fungující model kvantové gravitace. "Dokud neporozumíme kvantové gravitaci, Linux si na černé díře nespustíme," dodává s úsměvem.

Avšak kromě praktických potíží jsou zde podle Gottesmana vážnější teoretické problémy. Nehledě na to, že se ztrácí pouze půl quibitu, "z fundamentálního hlediska neexistuje podstatný rozdíl mezi tím, zda se ztrácí trocha informace, nebo naopak hodně," říká.

"Ve standardní kvantové mechanice se nikdy nesmí ztrácet žádná informace, takže má-li (Lloyd) pravdu, musíme kvantovou mechaniku poupravit tak, aby ztrátu informací dovolovala. Nemáme ponětí, jaká teorie by ji mohla nahradit."

Oldřich Klimánek

Provozovatel serveru Scinet.cz.


VLOŽIT KOMENTÁŘ

Kontrolní kód