Newfound Wormhole Allows Information to Escape Black Holes

Als Carl Sagan 1985 den Roman Contact schrieb, musste er seine Protagonistin Dr. Ellie Arroway schnell von der Erde zum Stern Vega transportieren. Er ließ sie ein Schwarzes Loch betreten und Lichtjahre entfernt austreten, aber er wusste nicht, ob das Sinn machte. Der Astrophysiker und Fernsehstar der Cornell University konsultierte seinen Freund Kip Thorne, einen Experten für Schwarze Löcher am California Institute of Technology (der Anfang dieses Monats einen Nobelpreis erhielt). Thorne wusste, dass Arroway Vega nicht über ein Schwarzes Loch erreichen konnte, von dem angenommen wird, dass es alles einfängt und zerstört, was hineinfällt. Aber es kam ihm in den Sinn, dass sie eine andere Art von Loch verwenden könnte, die mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt: einen Tunnel oder ein „Wurmloch“, das entfernte Orte in der Raumzeit verbindet.Während die einfachsten theoretischen Wurmlöcher sofort zusammenbrechen und verschwinden, bevor irgendetwas durchkommen kann, fragte sich Thorne, ob es für eine „unendlich fortgeschrittene“ Science-Fiction-Zivilisation möglich sein könnte, ein Wurmloch lange genug zu stabilisieren, damit etwas oder jemand es durchqueren kann. Er fand heraus, dass eine solche Zivilisation tatsächlich die Kehle eines Wurmlochs mit „exotischem Material“ auskleiden könnte, das seiner Tendenz zum Zusammenbruch entgegenwirkt. Das Material würde negative Energie besitzen, die Strahlung ablenken und die Raumzeit von sich selbst abstoßen würde. Sagan benutzte den Trick im Kontakt und schrieb die Erfindung des exotischen Materials einer früheren, verlorenen Zivilisation zu, um nicht auf Einzelheiten einzugehen. In der Zwischenzeit begeisterten diese Einzelheiten Thorne, seine Studenten und viele andere Physiker, die jahrelang durchquerbare Wurmlöcher und ihre theoretischen Implikationen erforschten. Sie entdeckten, dass diese Wurmlöcher als Zeitmaschinen dienen und Zeitreise-Paradoxe hervorrufen können – ein Beweis dafür, dass exotisches Material in der Natur verboten ist.Jetzt, Jahrzehnte später, ist eine neue Art von durchquerbaren Wurmlöchern aufgetaucht, frei von exotischem Material und voller Potenzial, Physikern zu helfen, ein rätselhaftes Paradoxon über Schwarze Löcher zu lösen. Dieses Paradoxon ist genau das Problem, das den frühen Entwurf von Contact plagte und Thorne dazu veranlasste, überhaupt über durchquerbare Wurmlöcher nachzudenken. nämlich, dass Dinge, die in Schwarze Löcher fallen, spurlos zu verschwinden scheinen. Diese völlige Löschung von Informationen bricht die Regeln der Quantenmechanik und verwirrt Experten so sehr, dass einige in den letzten Jahren argumentiert haben, dass das Innere Schwarzer Löcher nicht wirklich existiert — dass Raum und Zeit seltsamerweise an ihrem Horizont enden.

Die Flut von Funden begann im vergangenen Jahr mit einem Papier, das das erste durchquerbare Wurmloch berichtete, das das Einfügen von exotischem Material nicht erfordert, um offen zu bleiben. Stattdessen kann laut Ping Gao und Daniel Jafferis von der Harvard University und Aron Wall von der Stanford University die abstoßende negative Energie im Hals des Wurmlochs von außen durch eine spezielle Quantenverbindung zwischen dem Paar Schwarzer Löcher erzeugt werden, die die beiden Mündungen des Wurmlochs bilden. Wenn die Schwarzen Löcher auf die richtige Weise verbunden sind, wird etwas, das in eines geworfen wird, entlang des Wurmlochs hangeln und nach bestimmten Ereignissen im äußeren Universum das zweite verlassen. Bemerkenswerterweise bemerkten Gao, Jafferis und Wall, dass ihr Szenario mathematisch einem Prozess namens Quantenteleportation entspricht, der der Schlüssel zur Quantenkryptographie ist und in Laborexperimenten demonstriert werden kann.John Preskill, ein Experte für Schwarzes Loch und Quantengravitation am Caltech, sagt, dass das neue durchquerbare Wurmloch eine Überraschung ist, mit Implikationen für das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs und das Innere des Schwarzen Lochs. „Was ich wirklich mag“, sagte er, „ist, dass ein Beobachter das Schwarze Loch betreten und dann entkommen kann, um zu erzählen, was er gesehen hat.“ Dies deutet darauf hin, dass das Innere des Schwarzen Lochs wirklich existiert und dass das, was hineingeht, herauskommen muss.

Eine kryptische Gleichung

Die neue Wurmlocharbeit begann 2013, als Jafferis an einem interessanten Vortrag auf der Strings-Konferenz in Südkorea teilnahm. Der Sprecher Juan Maldacena, Professor für Physik am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, war kürzlich aufgrund verschiedener Hinweise und Argumente zu dem Schluss gekommen, dass „ER = EPR.“ Das heißt, Wurmlöcher zwischen entfernten Punkten in der Raumzeit, von denen die einfachsten Einstein-Rosen- oder „ER“ -Brücken genannt werden, entsprechen (wenn auch auf schlecht definierte Weise) verschränkten Quantenteilchen, die auch als Einstein-Podolsky-Rosen- oder „EPR“ -Paare bekannt sind. Die ER = EPR-Vermutung, die von Maldacena und Leonard Susskind von Stanford aufgestellt wurde, war ein Versuch, die moderne Inkarnation des berüchtigten Informationsparadoxons des Schwarzen Lochs zu lösen, indem die von der allgemeinen Relativitätstheorie geregelte Raum-Zeit-Geometrie an die augenblicklichen Quantenverbindungen zwischen weit voneinander entfernten Teilchen gebunden wurde, die Einstein als „gruselige Aktion in der Ferne“ bezeichnete.Das Paradoxon zeichnet sich seit 1974 ab, als der britische Physiker Stephen Hawking feststellte, dass Schwarze Löcher verdampfen — langsam Wärme in Form von Partikeln abgeben, die jetzt als „Hawking-Strahlung “ bekannt sind.“ Hawking berechnete, dass diese Wärme völlig zufällig ist; Sie enthält keine Informationen über den Inhalt des Schwarzen Lochs. Wie das Schwarze Loch aus der Existenz blinkt, so auch die Aufzeichnung des Universums von allem, was hineinging. Dies verstößt gegen ein Prinzip namens „Unitarität“, das Rückgrat der Quantentheorie, das besagt, dass bei der Wechselwirkung von Teilchen Informationen über sie niemals verloren gehen, sondern nur verschlüsselt werden, so dass, wenn Sie den Zeitpfeil in der Quantenentwicklung des Universums umkehren, Sie würden sehen, wie sich die Dinge zu einer exakten Neuschöpfung der Vergangenheit entwirren.

Fast jeder glaubt an Unitarität, was bedeutet, dass Informationen schwarzen Löchern entkommen müssen – aber wie? In den letzten fünf Jahren haben einige Theoretiker, vor allem Joseph Polchinski von der University of California, Santa Barbara, argumentiert, dass Schwarze Löcher leere Schalen ohne Innenräume sind — dass Ellie Arroway, wenn sie den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs trifft, auf einer „Firewall“ verpuffen und wieder ausstrahlen würde.Viele Theoretiker glauben an das Innere von Schwarzen Löchern (und sanftere Übergänge über ihren Horizont hinweg), aber um sie zu verstehen, müssen sie das Schicksal von Informationen entdecken, die in sie fallen. Dies ist entscheidend für den Aufbau einer funktionierenden Quantentheorie der Schwerkraft, der lang gesuchten Vereinigung der Quanten- und Raumzeitbeschreibungen der Natur, die im Inneren von Schwarzen Löchern, wo extreme Schwerkraft auf einer Quantenskala wirkt, am schärfsten zum Tragen kommt.Die Verbindung der Quantengravitation zog Maldacena und später Jafferis zur ER = EPR-Idee und zu Wurmlöchern. Die implizite Beziehung zwischen Tunneln in der Raumzeit und Quantenverschränkung, die von ER = EPR ausgeht, stimmte mit der populären Überzeugung überein, dass der Raum im Wesentlichen durch Quantenverschränkung ins Dasein gerufen wird. Es schien, dass Wurmlöcher eine Rolle dabei spielten, die Raumzeit zusammenzufügen und Informationen über schwarze Löcher aus Schwarzen Löchern herauszuschleudern — aber wie könnte das funktionieren? Als Jafferis Maldacena über seine kryptische Gleichung und die Beweise dafür sprechen hörte, war ihm bewusst, dass ein Standard-ER-Wurmloch instabil und nicht durchfahrbar ist. Aber er fragte sich, was Maldacenas Dualität für ein durchquerbares Wurmloch bedeuten würde, wie es Thorne und andere vor Jahrzehnten gespielt hatten. Drei Jahre nach dem Südkorea-Gespräch präsentierten Jafferis und seine Mitarbeiter Gao und Wall ihre Antwort. Die Arbeit erweitert die ER = EPR-Idee, indem sie nicht ein Standardwurmloch und ein Paar verschränkter Teilchen gleichsetzt, sondern ein durchquerbares Wurmloch und Quantenteleportation: ein 1993 entdecktes Protokoll, das es einem Quantensystem ermöglicht, zu verschwinden und irgendwo anders unversehrt wieder aufzutauchen.Als Maldacena Gao, Jafferis und Wall’s Paper las, „sah ich es als eine wirklich nette Idee an, eine dieser Ideen, die, nachdem jemand es dir erzählt hat, offensichtlich ist“, sagte er. Maldacena und zwei Mitarbeiter, Douglas Stanford und Zhenbin Yang, begannen sofort, die Auswirkungen des neuen Wurmlochs auf das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs zu untersuchen; Ihr Papier erschien im April. Susskind und Ying Zhao von Stanford folgten dem mit einem Artikel über Wurmloch-Teleportation im Juli. Das Wurmloch „gibt ein interessantes geometrisches Bild dafür, wie Teleportation geschieht“, sagte Maldacena. „Die Botschaft geht tatsächlich durch das Wurmloch.”

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