Newfound Wormhole consente alle informazioni di sfuggire ai buchi neri

Nel 1985, quando Carl Sagan stava scrivendo il romanzo Contact, aveva bisogno di trasportare rapidamente il suo protagonista Dr. Ellie Arroway dalla Terra alla stella Vega. L’ha fatta entrare in un buco nero e uscire anni luce di distanza, ma non sapeva se questo avesse senso. L’astrofisico della Cornell University e star televisiva ha consultato il suo amico Kip Thorne, un esperto di buchi neri presso il California Institute of Technology (che ha vinto un premio Nobel all’inizio di questo mese). Thorne sapeva che Arroway non poteva arrivare a Vega attraverso un buco nero, che si pensa intrappolare e distruggere tutto ciò che cade in. Ma gli venne in mente che avrebbe potuto fare uso di un altro tipo di buco coerente con la teoria generale della relatività di Albert Einstein: un tunnel o “wormhole” che collega luoghi lontani nello spazio-tempo.

Mentre i wormhole teorici più semplici collassano immediatamente e scompaiono prima che qualcosa possa passare, Thorne si chiedeva se fosse possibile per una civiltà fantascientifica “infinitamente avanzata” stabilizzare un wormhole abbastanza a lungo da far attraversare qualcosa o qualcuno. Ha capito che una tale civiltà potrebbe infatti rivestire la gola di un wormhole con “materiale esotico” che contrasta la sua tendenza al collasso. Il materiale possederebbe energia negativa, che devierebbe la radiazione e respingerebbe lo spazio-tempo a parte se stesso. Sagan ha usato il trucco in contatto, attribuendo l’invenzione del materiale esotico a una civiltà precedente e perduta per evitare di entrare in particolari. Nel frattempo, quei particolari affascinato Thorne, i suoi studenti e molti altri fisici, che hanno trascorso anni esplorando wormhole attraversabili e le loro implicazioni teoriche. Hanno scoperto che questi wormhole possono servire come macchine del tempo, invocando paradossi del viaggio nel tempo-la prova che il materiale esotico è proibito in natura.

Ora, decenni dopo, è emersa una nuova specie di wormhole attraversabile, privo di materiale esotico e pieno di potenziale per aiutare i fisici a risolvere un paradosso sconcertante sui buchi neri. Questo paradosso è il problema stesso che ha afflitto la prima bozza di Contatto e ha portato Thorne a contemplare wormhole attraversabili in primo luogo; vale a dire, che le cose che cadono nei buchi neri sembrano svanire senza lasciare traccia. Questa cancellazione totale delle informazioni infrange le regole della meccanica quantistica, e lascia così perplessi gli esperti che negli ultimi anni alcuni hanno sostenuto che gli interni dei buchi neri non esistono davvero — che lo spazio e il tempo finiscono stranamente nei loro orizzonti.

La raffica di scoperte è iniziata lo scorso anno con un documento che riportava il primo wormhole attraversabile che non richiede l’inserimento di materiale esotico per rimanere aperto. Invece, secondo Ping Gao e Daniel Jafferis della Harvard University e Aron Wall della Stanford University, l’energia negativa repulsiva nella gola del wormhole può essere generata dall’esterno da una speciale connessione quantistica tra la coppia di buchi neri che formano le due bocche del wormhole. Quando i buchi neri sono collegati nel modo giusto, qualcosa gettato in uno scuoterà lungo il wormhole e, seguendo determinati eventi nell’universo esterno, uscirà dal secondo. Sorprendentemente, Gao, Jafferis e Wall hanno notato che il loro scenario è matematicamente equivalente a un processo chiamato teletrasporto quantistico, che è la chiave per la crittografia quantistica e può essere dimostrato in esperimenti di laboratorio.

John Preskill, un buco nero ed esperto di gravità quantistica al Caltech, dice che il nuovo wormhole traversabile è una sorpresa, con implicazioni per il paradosso delle informazioni sui buchi neri e gli interni dei buchi neri. ” Quello che mi piace molto”, ha detto, ” è che un osservatore possa entrare nel buco nero e poi fuggire per raccontare ciò che ha visto.”Questo suggerisce che gli interni dei buchi neri esistono davvero, ha spiegato, e che ciò che entra deve uscire.

A Cryptic Equation

Il nuovo wormhole è iniziato nel 2013, quando Jafferis ha partecipato a un intrigante discorso alla Strings conference in Corea del Sud. Il relatore, Juan Maldacena, professore di fisica presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, aveva recentemente concluso, sulla base di vari suggerimenti e argomenti, che ” ER = EPR.”Cioè, i wormhole tra punti distanti nello spazio-tempo, i più semplici dei quali sono chiamati ponti Einstein-Rosen o “ER”, sono equivalenti (anche se in qualche modo mal definito) alle particelle quantistiche impigliate, note anche come coppie Einstein-Podolsky-Rosen o “EPR”. La congettura ER = EPR, posta da Maldacena e Leonard Susskind di Stanford, era un tentativo di risolvere l’incarnazione moderna del famigerato paradosso dell’informazione del buco nero legando la geometria spazio-temporale, governata dalla relatività generale, alle connessioni quantistiche istantanee tra particelle lontane che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza.”

Il paradosso si è profilato dal 1974, quando il fisico britannico Stephen Hawking determinato che i buchi neri evaporano — lentamente emettendo calore sotto forma di particelle ora noto come ” radiazione di Hawking.”Hawking ha calcolato che questo calore è completamente casuale; non contiene informazioni sul contenuto del buco nero. Come il buco nero lampeggia fuori dall’esistenza, così fa il record dell’universo di tutto ciò che è andato dentro. Questo viola un principio chiamato “unitarietà”, la spina dorsale della teoria quantistica, che sostiene che quando le particelle interagiscono, le informazioni su di esse non vengono mai perse, solo strapazzate, in modo che se invertissi la freccia del tempo nell’evoluzione quantistica dell’universo, vedresti le cose decodificare in un’esatta ri-creazione del passato.

Quasi tutti credono nell’unitarietà, il che significa che le informazioni devono sfuggire ai buchi neri – ma come? Negli ultimi cinque anni, alcuni teorici, in particolare Joseph Polchinski dell’Università della California, Santa Barbara, hanno sostenuto che i buchi neri sono gusci vuoti senza interni — che Ellie Arroway, dopo aver colpito l’orizzonte degli eventi di un buco nero, svanirebbe su un “firewall” e si irradia di nuovo.

Molti teorici credono negli interni dei buchi neri (e nelle transizioni più delicate attraverso i loro orizzonti), ma per capirli, devono scoprire il destino delle informazioni che cadono all’interno. Questo è fondamentale per costruire una teoria quantistica funzionante della gravità, l’unione a lungo ricercata delle descrizioni quantistiche e spazio-temporali della natura che viene in più forte rilievo negli interni dei buchi neri, dove la gravità estrema agisce su una scala quantistica.

La connessione di gravità quantistica è ciò che ha attirato Maldacena, e più tardi Jafferis, all’idea ER = EPR e ai wormhole. La relazione implicita tra i tunnel nello spazio-tempo e l’entanglement quantistico posto da ER = EPR risuonava con una recente credenza popolare che lo spazio è essenzialmente cucito in esistenza dall’entanglement quantistico. Sembrava che i wormhole avessero un ruolo da svolgere nel ricucire insieme lo spazio-tempo e nel lasciare che le informazioni sui buchi neri uscissero dai buchi neri — ma come potrebbe funzionare? Quando Jafferis sentì Maldacena parlare della sua equazione criptica e delle prove per questo, era consapevole che un wormhole ER standard è instabile e non attraversabile. Ma si chiedeva cosa significasse la dualità di Maldacena per un wormhole attraversabile come quelli con cui Thorne e altri giocavano decenni fa. Tre anni dopo il discorso sulla Corea del Sud, Jafferis e i suoi collaboratori Gao e Wall hanno presentato la loro risposta. Il lavoro estende l’idea ER = EPR equiparando, non un wormhole standard e una coppia di particelle impigliate, ma un wormhole attraversabile e il teletrasporto quantistico: un protocollo scoperto nel 1993 che consente a un sistema quantistico di scomparire e riapparire indenne da qualche altra parte.

Quando Maldacena ha letto Gao, Jafferis e Wall’s paper, “L’ho vista come un’idea davvero bella, una di queste idee che dopo che qualcuno ti ha detto, è ovvia”, ha detto. Maldacena e due collaboratori, Douglas Stanford e Zhenbin Yang, iniziarono immediatamente ad esplorare le ramificazioni del nuovo wormhole per il paradosso delle informazioni sul buco nero; il loro documento apparve ad aprile. Susskind e Ying Zhao di Stanford hanno seguito questo con un documento sul teletrasporto wormhole nel mese di luglio. Il wormhole “dà un’immagine geometrica interessante per come avviene il teletrasporto”, ha detto Maldacena. “Il messaggio passa effettivamente attraverso il wormhole.”

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