Svarta hål är gravitationsmonster som pressar gas och damm ner till en mikroskopisk punkt som stora kosmiska skräpkompressorer. Modern fysik dikterar att efter konsumtion ska information om denna fråga för evigt förloras för universum. Men ett nytt experiment antyder att det kan finnas ett sätt att använda kvantmekanik för att få lite inblick i det inre av ett svart hål.
"I kvantfysik kan information omöjligt förloras," berättade Kevin Landsman, en forskarstuderande vid fysik vid Joint Quantum Institute (JQI) vid University of Maryland i College Park, Live Science. "I stället kan information döljas eller krypteras" bland subatomära, otydligt länkade partiklar.
Landsman och hans medförfattare visade att de kunde mäta när och hur snabbt information skrapades in i en förenklad modell av ett svart hål, vilket gav en potentiell titt i de annars ogenomträngliga enheterna. Resultaten, som visas idag (6 mars) i tidskriften Nature, kan också hjälpa till i utvecklingen av kvantdatorer.
Svarta hål är oändligt täta, oändligt små föremål bildade från kollapsen av en jätte, död stjärna som gick supernova. På grund av deras massiva tyngdkraft suger de in omgivande material, som försvinner bakom det som kallas deras händelseshorisont - den punkten förbi som ingenting, inklusive ljus, kan undkomma.
På 1970-talet bevisade den berömda teoretiska fysikern Stephen Hawking att svarta hål kan krympa under deras livstid. Enligt kvantmekanikens lagar - reglerna som dikterar subatomära partiklarnas beteende i små skalor - dyker upp par av partiklar spontant existerande precis utanför ett svart håls händelseshorisont. En av dessa partiklar faller sedan in i det svarta hålet medan den andra drivs utåt, och stjäl en liten smidgeon av energi i processen. Under extremt långa tidsskalor dras tillräckligt med energi för att det svarta hålet kommer att förångas, en process som kallas Hawking-strålning, vilket Live Science tidigare har rapporterat.
Men det finns en conundrum gömmer sig i det svarta hålets oändligt täta hjärta. Kvantmekanik säger att information om en partikel - dess massa, fart, temperatur och så vidare - aldrig kan förstöras. Relativitetsreglerna säger samtidigt att en partikel som har zooma förbi ett svarthåls händelseshorisont har förenats med den oändligt täta krossningen vid svarta hålets centrum, vilket innebär att ingen information om det någonsin kan hämtas igen. Försök att lösa dessa oförenliga fysiska krav har hittills misslyckats; teoretiker som har arbetat med problemet kallar dilemmaet för informationsparadoxen för svarthålet.
I sitt nya experiment visade Landsman och hans kollegor hur man kan få lite lättnad för det här problemet med hjälp av den utflygande partikeln i ett Hawking-strålningspar. Eftersom det är förvirrat med sin infalling partner, vilket innebär att dess tillstånd är otydligt kopplat till det för sin partner, kan mäta egenskaperna hos den ena ge viktiga detaljer om den andra.
"Man kan återställa den information som tappades i det svarta hålet genom att göra en massiv kvantberäkning på dessa utgående," sade Norman Yao, en fysiker vid University of California, Berkeley, och medlem av teamet, i ett uttalande.
Partiklarna i ett svart hål har fått all sin information kvantmekaniskt "förvrängd". Det vill säga deras information har blandats kaotiskt på ett sätt som skulle göra det omöjligt att någonsin extrimera. Men en sammansvetsad partikel som blandas upp i detta system kan potentiellt skicka information till sin partner.
Att göra detta för ett riktigt svart hål är hopplöst komplicerat (och dessutom är svarta hål svåra att komma till i fysiklaboratorier). Så gruppen skapade en kvantdator som utförde beräkningar med intrasslade kvantbitar eller qubits - basenheten för information som användes vid kvantberäkning. De satte sedan upp en enkel modell med hjälp av tre atomkärnor i elementet Ytterbium, som alla var förvirrad med varandra.
Med hjälp av en annan extern kvbit kunde fysikerna se när partiklar i det trepartikelsystemet blev förvrängda och kunde mäta hur förvrängda de blev. Ännu viktigare är att deras beräkningar visade att partiklarna var speciellt förvrängda med varandra snarare med andra partiklar i miljön, berättade Raphael Bousso, en UC Berkeley teoretisk fysiker som inte var inblandad i arbetet.
"Det är en underbar prestation", tillade han. "Det visar sig att det är ett mycket svårt problem att särskilja vilken av dessa saker som faktiskt händer med ditt kvantsystem."
Resultaten visar hur studier av svarta hål leder till experiment som kan undersöka små subtiliteter inom kvantmekanik, sade Bousso, vilket kan bli till hjälp vid utvecklingen av framtida mekanismer för kvantberäkning.
