In augustus 2013 kwamen tientallen gerenommeerde theoretisch natuurkundigen bijeen in Santa Barbara, Californië, om een ​​crisis te bespreken. Hun zwakke begrip van zwarte gaten viel uit elkaar. Van een afstand bekeken, als door een telescoop, zou een zwart gat zich moeten gedragen als een planeet, een ster of een ander conglomeraat van elementaire deeltjes. Maar als de natuurkundigen het werk van Albert Einstein geloofden, zoals de meesten van hen, dan ontstonden er onmogelijke gevolgen toen ze het zwarte gat bekeken vanuit het gezichtspunt van iemand die zich net binnen zijn grens bevond.

Een gedachte-experiment van vorig jaar had deze botsing van perspectieven verscherpt en abrupt een einde gemaakt aan een wapenstilstand van twee decennia tussen degenen die geloofden dat het uitzicht naar buiten het fundamentele was en degenen die zich concentreerden op het uitzicht van binnenuit. Plots stonden allerlei heilige fysieke overtuigingen ter discussie. Degenen achter het gedachte-experiment suggereerden wanhopig dat interieurs van zwarte gaten misschien gewoon niet bestaan ​​- dat ruimte-tijd eindigde aan de rand van het zwarte gat in een letterlijke muur van vuur.

In het verlengde van dat denken suggereerde een deelnemer aan de conferentie zelfs, grotendeels voor de grap, dat de paradox leek te impliceren dat de bekende wetten van de natuurkunde wel eens overal zouden kunnen instorten, een observatie die een Comedy Cellar-waardig lachje opleverde. . Een van de jongere deelnemers, Daniël Harlow, nam de microfoon en reageerde met een enkele ongelovige "Kerel", voordat hij het gesprek terugleidde naar minder ketterse grond.

"Er was gewoon een vlaag" van brainstormen, zei Patrick Hayden, een computerwetenschapper die natuurkundige werd aan de Stanford University. "De bereidheid van mensen om met gekke ideeën op pad te gaan, was schokkend."

Na nog eens tien jaar discussiëren en rekenen, gelooft Harlow, nu een senior natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology, dat hij en een team van opkomende theoretici eindelijk de manier hebben gevonden, of in ieder geval een manier, om de buitenkant te kwadrateren. en binnenaanzichten. Door dit te doen, hebben ze een soort ontspanning tot stand gebracht tussen de strijdende werelden van relativiteit en kwantumtheorie. Hun resolutie, die wijdverbreide ideeën uit de kwantuminformatietheorie en -theorie verweeft doorbraakberekeningen uit 2019, is een hoofdpijnveroorzakende en zwaarbevochten poging om de buitenkant te hebben en ook veel van de binnenkant te behouden.

"Ze zijn erin geslaagd aan te tonen dat deze spanning in ieder geval in principe kan worden opgelost", zei hij Tom Hartman, een natuurkundige aan de Cornell University die een belangrijk kenmerk van hun theorie heeft gevonden in een ander zwaartekrachtmodel.

Hoewel hun procedure momenteel alleen werkt met een kale karikatuur van een zwart gat, legt het veel van de bijzondere kenmerken van de ingestorte sterren vast. Als het geldt voor echte zwarte gaten, zal het een afdoend antwoord geven op een reeks klassieke vragen over zwarte gaten, van wat een astronaut zou ervaren als ze in een zwart gat viel tot het uiteindelijke lot van de informatie in de rangschikking van haar moleculen.

"Het vertegenwoordigt tot op zekere hoogte het einde van een revolutie, in plaats van een begin", zei hij Geoff Penington, een natuurkundige aan de University of California, Berkeley en een medewerker aan het nieuwe werk.

"Het is erg spannend. Het kan verkeerd zijn, maar ik denk dat dit de juiste essentie is, 'zei Oliver De Wolfe, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado, Boulder en een van de weinige onderzoekers die het afgelopen jaar hebben voortgebouwd op het voorstel van Harlow en het bedrijf.

De groep streeft ernaar het interieur van het zwarte gat te redden van een regelrechte opoffering door een vleeswond toe te brengen: in een ironische wending stellen Harlow en zijn gezelschap voor dat de bekende wetten van de natuurkunde in een zwart gat breken - en misschien overal de hele tijd. Maar ze doen dat op een voorheen onbekende manier, een manier die te subtiel is om door iemand opgemerkt te worden. In wezen is een beperking niet van materie of het spul van ruimte-tijd. Het komt eerder voort uit argumenten met betrekking tot complexiteit - de in wezen oneindige mogelijkheden die vervat zitten in enorme hoeveelheden kwantuminformatie.

Van Hawking-straling tot firewalls

Een sessie in de Santa Barbara-workshop werd geleid door de belangrijkste architect van de revolutie van het zwarte gat. Skypen vanuit zijn kantoor in Cambridge op een enorm projectiescherm, een groter dan levensgroot Stephen Hawking verdedigde het idee dat ruimte en tijd overleven in het interieur van het zwarte gat. "Enige tijd geleden schreef ik een paper die een controverse veroorzaakte die tot op de dag van vandaag voortduurt", begon hij.

Die controverse draait om de manier waarop zwarte gaten het toneel lijken te zijn van de grootste verdwijningsact in het universum.

In 1974, Hawking berekend dat rond de gebeurtenishorizon - de sfeer van geen terugkeer rond een zwart gat - kwantumfluctuaties deeltjesparen creëren. De ene partner valt in het zwarte gat terwijl de andere ontsnapt. Na verloop van tijd stapelen de partners zich zowel binnen als buiten het zwarte gat op, waar ze vluchten in een uitdijende wolk van "Hawking-straling".

De problemen begonnen met het feit dat volgens de termen van de kwantummechanica elk duo verbonden is door verstrengeling, wat betekent dat de twee deeltjes samen één informatie-eenheid dragen. Elke partner is als het gezicht van een muntstuk, dat kan worden gebruikt om een ​​ja-of-nee-vraag te beantwoorden. Deze enkele ja-of-nee-capaciteit wordt een "bit" of een "qubit" genoemd als het object kan bestaan ​​in een kwantumcombinatie die superpositie wordt genoemd. Maar in tegenstelling tot de twee zijden van een munt, kunnen verstrengelde deeltjes uit elkaar gaan. Maar als een meting een externe partner vindt die 'kop' leest, zal een andere meting zeker de interne partner vinden die 'staarten' leest.

Dat lijkt in strijd te zijn met een tweede gevolg van Hawking's berekening. Terwijl het zwarte gat deeltjes uitstraalt, verdampt het uiteindelijk volledig. Na onnoemelijke eonen blijft alleen de stralingswolk over. Maar omdat elke externe partner één bit deelt met zijn innerlijke partner, heeft alleen de Hawking-straling net zo weinig zin als een spaarvarken vol eenzijdige munten. De qubits aan informatie in het zwarte gat, die het leven van het zwarte gat vastleggen en alles wat erin is gevallen, lijken te verdwijnen - een absurde ontwikkeling.

'Het is prima, zolang dat spul maar ergens binnen is', zei hij Samir Mathur, een natuurkundige aan de Ohio State University en een van de coördinatoren van de conferentie van 2013. "Maar als het zwarte gat verdwijnt, hebben de jongens buiten helemaal geen definitieve toestand."

De raadselachtige ondergang van oude zwarte gaten bracht natuurkundigen ertoe een van de twee botsende opvattingen aan te nemen, afhankelijk van of hun loyaliteit lag bij Einsteins theorie van gekromde ruimte-tijd, bekend als de algemene relativiteitstheorie, of bij de kwantummechanica. Hawking wedde jarenlang op Einstein. Als het vangen van deeltjes en het wissen van hun qubits in strijd was met een kwantummechanisch verbod op eenzijdige munten, meende Hawking, dan des te erger voor de kwantummechanica.

Anderen hielden hun geestesoog liever buiten het zwarte gat. Ze kozen de kant van de kwantummechanica, die rigoureus het romantische idee garandeert dat informatie nooit echt verloren gaat. Na het verbranden van bijvoorbeeld een dagboek kun je je voorstellen dat je de wolk van rook, as en hitte vastlegt en de verloren zinnen reconstrueert. Een zwart gat kan de deeltjes van een dagboek gewelddadiger door elkaar gooien dan een vreugdevuur, maar dezelfde logica zou van toepassing zijn. Als de Hawking-straling het enige was dat overbleef, dan moet de informatie van de tekst er op de een of andere manier in zijn gelekt - laat staan ​​dat Einsteins theorie van ruimte-tijd vereist dat het erin vast blijft zitten.

Het laatste deel van de paradox was dat Hawking's analyse had gevonden dat de straling volkomen willekeurig was - verstoken van enige informatie om te decoderen. Zijn werk suggereerde twee tegenstrijdige conclusies: dat zwarte gaten verdampen (wat impliceert dat straling uiteindelijk de informatie zou moeten wegdragen), en dat de straling geen informatie bevat. Ze konden niet allebei gelijk hebben, dus gingen de meeste natuurkundigen ervan uit dat Hawking zich op de een of andere manier had vergist.

Maar zijn fout was niet voor de hand liggend. Hawking had zowel de straling als de willekeur ervan ontdekt door de manier te analyseren waarop kwantumvelden werken in een zacht gebogen ruimte-tijd - een rigoureus getest raamwerk dat bekend staat als semi-klassieke fysica. Hawking's semi-klassieke benadering berustte alleen op aspecten van de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie die onberispelijk leken. Soortgelijke behandelingen vormen de basis van de meeste moderne theorieën, waaronder het gevierde standaardmodel van de deeltjesfysica.

Natuurkundigen verwachten dat semi-klassieke natuurkunde zal haperen wanneer de zwaartekracht intenser wordt, zoals in het nog steeds ondoorgrondelijke centrum van een zwart gat, ver voorbij de waarnemingshorizon. Maar voor grote zwarte gaten zou de waarnemingshorizon zelf grotendeels onschadelijk moeten zijn; een nieuwsgierige en goed bevoorraadde astronaut zou erin kunnen vallen en lange tijd kunnen overleven voordat ze haar onvermijdelijke ondergang nabij het centrum tegemoet gaat. Inderdaad, aan de horizon van het gigantische zwarte gat in het centrum van melkwegstelsel M87, de eerste zwarte gat om direct in beeld te worden gebracht, trekt de zwaartekracht niet veel harder dan op aarde. Als Hawking verkeerde semi-klassieke aannames deed, dan geldt dat ook voor iedereen op de planeet. "Als de wetten van de fysica zoals beschreven door [semiklassieke fysica] hier op aarde werken," zei Alex Maloney, een natuurkundige aan de McGill University, "waarom zouden ze niet aan de waarnemingshorizon werken?"

Na tientallen jaren van discussie over de veronderstelde fout van Hawking, probeerden een paar natuurkundigen een wapenstilstand tussen de twee partijen tot stand te brengen. 1993, Leonard Susskind van Stanford University begon de mening te verdedigen dat er geen fout was. Grofweg kwam het conflict voort uit een onrealistisch streven om tegelijkertijd zowel de binnenkant als de buitenkant van het zwarte gat in gedachten te houden.

In plaats daarvan voerden Susskind en medewerkers aan dat het garen dat een astronaut buiten zou vertellen gewoon anders was dan wat een invallende astronaut zou vertellen. Een astronaut ver weg zou zien hoe hun metgezel op het oppervlak van het zwarte gat pannenkoekt, dat zou rimpelen terwijl het de indringer absorbeerde. Ze zouden kijken hoe de informatie zich over het oppervlak van het zwarte gat verspreidde en uiteindelijk wegsetterde als straling, zonder ooit naar binnen te verdwijnen. Vanuit het perspectief van de metgezel gaat ze echter veilig het zwarte gat binnen, waar zowel zij als haar informatie vast komen te zitten. Haar account wijkt af van dat van haar vriendin, maar gezien het feit dat ze geen bericht kan sturen om hun rapport tegen te spreken, is er dan echt een probleem? De twee verhalen zouden in zekere zin complementair kunnen zijn.

"Ik heb dat altijd verwarrend gevonden", zei hij Scott Aaronson, een theoretische computerwetenschapper aan de Universiteit van Texas, Austin, maar "mensen hebben daar een decennium of twee over nagedacht."

In 2012 kwamen vier natuurkundigen langs en brandden het complementariteitsargument op de grond. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski en James Sully - een ploeg die gewoonlijk wordt aangeduid met hun initialen, AMPS - hebben een tweestaps gedachte experiment dat zou een enkele waarnemer getuige kunnen laten zijn van het zwarte gat dat informatie op twee plaatsen tegelijk opbergt.

Eerst schept een astronaut buiten elk deeltje op dat een zwart gat gedurende het grootste deel van zijn 10 uitzendt⁶⁷-jarige levensduur. Ervan uitgaande dat er informatie in de straling terechtkomt, moeten sommige externe partners met elkaar verstrikt zijn geraakt, waardoor ze een bepaalde toestand hebben gekregen. De astronaut analyseert deze deeltjes en bevestigt dat ze verstrengeld zijn. "Stel dat je een zeer lange [onderzoeks] beurs hebt," zei Aaronson.

Ze duikt dan in het zwarte gat en bevestigt dat sommige partners die ze buiten bestudeerde ook verstrengeld zijn met partners aan de binnenkant. Hawking's semi-klassieke berekening geeft aan dat ze dit zal vinden, wat impliceert dat wat eruit zag als eerlijke tweezijdige munten buiten het zwarte gat een illegaal derde gezicht binnenin verbergt.

AMPS had bewezen dat Hawking's paradox niet te verbergen was. Met tegenzin kozen ze de kant van de kwantummechanica buiten het zwarte gat, en als gevolg daarvan offerden ze de ruimte binnenin op: misschien verdampte het zwarte gat vallende materie met een "firewall" aan de horizon, waardoor bemoeizuchtige astronauten het experiment niet konden voltooien. "Het zwarte gat heeft gewoon helemaal geen interieur", zei Aaronson in een beschrijving van hun conclusie. "Als je erin probeert te springen, stuit je op het einde van de ruimte-tijd."

Niemand voelde zich goed bij dit idee, aangezien er geen aanwijzing was uit de semi-klassieke natuurkunde dat het passeren van de horizon anders zou moeten voelen dan het oversteken van de grens van Illinois naar Iowa. De gemeenschap organiseerde een reeks workshops om te brainstormen over manieren om uit de puinhoop te komen, met als hoogtepunt de Santa Barbara-bijeenkomst.

"We hadden een paar leuke maanden waarin iedereen probeerde dat argument de kop in te drukken en niet slaagde", zei Harlow.

Temidden van de chaos ging Harlow een samenwerking aan met Hayden - toen een computerwetenschapper - om te bestuderen wat er nodig is voor een astronaut om het AMPS-experiment daadwerkelijk uit te voeren. Ze behandelden het zwarte gat als een kwantumcoderingsapparaat - iets dat leesbare informatie (normale materie) opneemt en uitspuugt wat lijkt op vervormde informatie (de straling). In deze context zou men zich kunnen voorstellen het AMPS-experiment uit te voeren door een machine te gebruiken om de informatie te ontcijferen - een machine zoals een kwantumcomputer. En met een belangrijk resultaat van Aaronsons proefschrift over de grenzen van kwantumberekening, ontdekten ze iets merkwaardigs.

Een zwart gat verpulvert invallende materie zo grondig dat als een astronaut daadwerkelijk een kwantumcomputer zou belasten met het ontcijferen van de straling, de taak eonen zou duren. Het zou zo lang duren dat het zwarte gat allang verdwenen zou zijn voordat de voortgangsbalk zelfs maar een fractie van 1% bereikte. En tegen die tijd zou de astronaut niet in staat zijn om naar binnen te springen om informatie van buitenaf te vangen die aan de binnenkant in maanlicht schijnt, omdat de binnenkant niet zou bestaan.

"Dat was een observatie waarvan we niet echt wisten wat we ermee moesten doen," zei Harlow. "Eindelijk, 10 jaar later, weten we wat we ermee moeten doen."

Hoe maak je ruimte-tijd op een kwantumcomputer

Na het werk in 2013 zette Harlow zwarte gaten opzij om zich te concentreren op een eenvoudiger probleem: de lege ruimte zelf. Hij begon een onrealistisch soort omgekeerde ruimte te bestuderen, bekend als anti-de Sitter-ruimte, die ook twee heel verschillende beschrijvingen toelaat, net zoals zwarte gaten dat leken te doen.

"Als ik de anti-de Sitter-ruimte goed genoeg begrijp, zal dat de weg voorstellen om vooruit te gaan, terug naar zwarte gaten," herinnerde Harlow zich denkend. “En dat is inderdaad gelukt.”

Natuurkundigen zijn gefascineerd door anti-de Sitter-ruimte omdat deze op een exotische manier buigt waardoor een oneindig volume aan ruimte binnen een eindige grens past. Nog opvallender is dat er een manier lijkt te zijn om elke gebeurtenis die plaatsvindt in de anti-de Sitter-ruimte te herschikken in termen van deeltjes die op de grens leven, die volgens totaal andere fysieke regels spelen. Een zonnestelsel in het centrale anti-de Sitter-gebied kan bijvoorbeeld worden beschreven als een verzameling deeltjes verspreid over de grens die alleen de kwantumtheorie gehoorzamen en geen enkel gevoel hebben voor zwaartekracht of ruimte-tijd.

De belangrijkste vraag voor Harlow was hoe de deeltjes op de grens, die geen concept van ruimte-tijd hebben, de ervaring zouden kunnen vangen van een bewoner van een planeet in het centrale gebied, voor wie ruimte-tijd onmiskenbaar belangrijk is. Naïef, we zouden kunnen verwachten dat we een probleem tegenkomen waarbij grensgebeurtenissen ogenblikkelijk door het midden kunnen weergalmen - een plek waar effecten tijd nodig hebben om zich voort te planten. Vanwege dat probleem zou de relatie tussen de grensdeeltjes en de centrale ruimte-tijd los moeten zijn, zodat grensveranderingen niet onmiddellijk het midden beïnvloeden, maar niet zo los dat de grens volledig uit het oog verliest wat er in het midden gebeurt. .

"Je moet onafhankelijk zijn van alle onderdelen van het systeem, maar niet onafhankelijk van het systeem, wat zoiets is als aaargh," zei Harlow, gefrustreerd zijn handen in de lucht stekend.

Uiteindelijk besefte Harlow dat een groep onderzoekers het probleem al had opgelost. Ze hadden helemaal niet nagedacht over de structuur van ruimte-tijd. Ze bedachten manieren waarop kwantumcomputers hun fouten konden corrigeren.

Om een ​​idee te krijgen van hoe foutcorrectie de Goudlokje-relatie belichaamt die Harlow zocht, kunt u een eenvoudig schema overwegen voor het coderen van een klassiek één-bits bericht in een drie-bits transmissie. Om 1 aan te geven, verzendt u 111. Om 0 aan te geven, verzendt u 000. Zelfs als er een fout optreedt, kan de ontvanger gewoon een meerderheid van stemmen nemen. Het zal nog steeds begrijpen dat 001 0 betekent, of 011 1. Een enkele fout bederft de boodschap niet, omdat de informatie in alle cijfers leeft. De boodschap is onafhankelijk van elk afzonderlijk stuk, maar niet onafhankelijk van de hele uitzending - precies wat Harlow nodig had. Kwantumfouten corrigeren in qubits (in tegenstelling tot klassieke bits) vereist meer gecompliceerde schema's, maar de twee problemen delen dit kenmerk van het uitsmeren van informatie tussen meerdere stukken. in 2014, werkte Harlow samen met Almheiri van AMPS en Xi Dong van de University of California, Santa Barbara om uit te leggen hoe kwantumfoutcorrigerende codes zou anti-de Sitter ruimte-tijdinformatie kunnen verspreiden over grens-qubits.

De kern van het idee was het volgende. Stel je het centrale punt in de anti-de Sitter-ruimte voor als een bericht van één bit. De grensdeeltjes zijn de cijfers van de transmissie. Verdeel de grens in drie bogen. De deeltjes van een boog zijn op de hoogte van de anti-de Sitter-punten in het aangrenzende gebied. Maar ze weten niets van punten buiten die regio. Geen enkele boog kent het centrale punt, een situatie die doet denken aan hoe geen enkel transmissiecijfer voldoende is om het bericht te reconstrueren.

Maar het middelpunt ligt wel binnen het gecombineerde gebied dat tot twee willekeurige bogen behoort - in navolging van hoe twee transmissiecijfers voldoende zijn om het bericht te ontcijferen. Op deze manier leek foutcorrectie een geschikte taal om lege anti-de Sitter-ruimte vanuit twee perspectieven te begrijpen: hetzij als vanille-ruimte-tijd of, intrigerend genoeg, als een verzameling ruimteloze kwantumqubits.

"Dit is nogal verrassend," zei DeWolfe. Kwantuminformatie is niet alleen voor het bouwen van kwantumcomputers. "Het blijkt dat dit ideeën zijn die belangrijk genoeg zijn dat kwantumzwaartekracht ze lijkt te gebruiken."

Harlow was erin geslaagd de twee manieren van kijken naar ruimte-tijd met elkaar te verbinden. Het enige probleem was dat het kader niet voldeed aan het beoogde doel. Toen de ruimte-tijd een zwart gat bevatte, mislukte kwantumfoutcorrectie.

Al in 2012, hadden natuurkundigen het idee geopperd om het binnenste van het zwarte gat aan te pakken met foutcorrigerende codes. Maar nogmaals, de tegenstrijdige perspectieven in Hawking's berekeningen hadden hen met stomheid geslagen. Een astronaut binnen de waarnemingshorizon zou invallende stralingspartners voor onbepaalde tijd zien regenen. De informatiecapaciteit van het zwarte gat, als je het je voorstelt als een kosmische harde schijf, stijgt en stijgt gedurende zijn hele leven.

Ondertussen zou een astronaut buiten een zwart gat in zijn gouden jaren het letterlijk kleiner zien worden terwijl het verdampt. Om de ambitie te bereiken om de twee perspectieven met foutcorrectie te kwadrateren, leek Harlow een manier nodig te hebben om het groeiende interieur in zijn krimpende grens te coderen, een taak zoals een zeeman vragen om de boodschap 'SOS' in een transmissie van één teken te passen.

"Het verhaal sloot het interieur van zwarte gaten uit," zei Christoffel Akers, een onderzoeker aan het MIT die als tweedejaars afgestudeerde student in 2016 werd geïnspireerd door een invloedrijk foutcorrectiedocument van Harlow's. "Dat zat raar bij mij, dus ik heb veel tijd besteed aan het nadenken over hoe je zwarte gaten op een betere manier zou kunnen opnemen."

Het zou hem vier jaar kosten om er een te vinden, en nog een jaar om Harlow ervan te overtuigen dat het zin had.

Een recept voor ontsnapping aan informatie

Terwijl Harlow en Akers afzonderlijk puzzelden over de binnenkant van een zwart gat, stond een constellatie van onderzoekers op het punt de buitenkant te kraken. Penington, een opkomende Britse natuurkundige, was een van de hoofdrolspelers. Hij had het firewall-drama op de Santa Barbara-conferentie gemist, aangezien hij in 2013 21 jaar oud was en midden in zijn bachelorstudie aan de Universiteit van Cambridge zat.

Toen Penington in 2015 Stanford bezocht als aankomend afgestudeerde student, voelde hij zich verscheurd tussen het bestuderen van kwantumzwaartekracht en kwantuminformatie voor zijn doctoraat. Toen ontmoette hij Hayden. Penington was verrast toen hij ontdekte dat zijn moeder - Frances Kirwan, een wiskundige in Oxford - een van Haydens afgestudeerde supervisors was geweest, en dat Hayden, een geboren Canadees, zijn moeder had geholpen bij het plannen van een kanotocht naar het platteland van Ontario, die hij had gemaakt toen hij was 8. Hij was zelfs nog meer verrast toen hij hoorde dat Hayden de kern was van de poging om zwarte gaten met qubits te verklaren, waarbij Penington's twee interesses samenvloeiden. Het paar besloot samen te werken.

Hayden en Penington begonnen met wat zij dachten dat een abstract probleem was over onvolmaakte foutcorrigerende codes, en publiceerden een spetterend kwantuminformatiepapier in 2017. Dat werk maakte geen melding van zwarte gaten of ruimte-tijd, maar het volgende jaar ze brachten hun codes naar de anti-de Sitter-ruimte. Uiteindelijk volgt een formule die in 2014 is ontwikkeld door Netta Engelhardt, een mede-millennial-natuurkundige, begon Penington te vermoeden dat een bepaald gebied van de anti-de Sitter-ruimte entropie volgde, een hoeveelheid die verband houdt met de informatiecapaciteit van de wolk van verstrengelde Hawking-straling die uit een zwart gat golft. Hij bracht de winter van 2018-2019 in zijn eentje door met het uitwerken van de details om zijn voorgevoel te controleren.

"Het is het moeilijkste dat ik in mijn leven continu aan natuurkunde heb gewerkt", zei Penington. “Ik was met Kerstmis op vakantie in Mexico, maar ik dacht er stiekem de hele tijd aan. Mijn vrienden bleven maar vragen: 'Waarom ben je zo stil?'”

Rond dezelfde tijd ploeterde Engelhardt door een in wezen identieke berekening. Begin 2019 bundelde ze haar krachten met Almheiri en Marolf van AMPS en Henry Maxfield van Stanford om de formule van 2014, die de entropie geeft in een situatie met zwaartekracht, te gebruiken om de informatie in de verstrengelde straling buiten het zwarte gat te bestuderen.

De twee teams kregen hetzelfde antwoord, dat ze onthulden gecoördineerd papieren in mei 2019. De berekeningen kwamen neer op het tellen van de "koppen" in de uitwendige straling - die je vertelt hoeveel verstrengelde "staarten" er verborgen zijn in het zwarte gat. Voor jonge, lege zwarte gaten neemt het aantal gescheiden muntvlakken toe naarmate de waarnemingshorizon Hawking-paren splitst, precies zoals Hawking had verwacht. Maar naarmate de leeftijd vordert, begint het aantal gescheiden gezichten af ​​te nemen, wat impliceert dat het zwarte gat is opgevuld en op de een of andere manier informatie aan het uitstoten is in de uitwendige straling, precies zoals de kwantummechanica vereist.

"Deze mei-kranten waren echt geweldig, " zei Harlow. Hij was onder de indruk dat ze 'het lef hadden om de berekening te maken. Ik zou gedacht hebben dat het te moeilijk was.”

Eindelijk dachten Penington, Engelhardt en hun medewerkers dat ze begrepen wat er buiten het zwarte gat gebeurde. Er lekte inderdaad informatie uit in de straling, zoals veel natuurkundigen hadden aangenomen. Dit feit had drie cruciale gevolgen.

Ten eerste verkleinde het de mogelijkheden voor Hawking's fout. De straling kon niet echt willekeurig zijn, dus waarom suggereerde de verder betrouwbare semi-klassieke natuurkunde dat wel?

Ten tweede verlegde het hun grens van begrip van buiten het zwarte gat naar het binnenland. Hoe zou een astronaut net binnen de waarnemingshorizon van een oud zwart gat de verdamping ervaren?

Ten slotte suggereerde het dat het semi-klassieke raamwerk van Hawking bijna correct was, en dat voor het nemen van de eerste stap naar het interieur geen volwaardige theorie van kwantumzwaartekracht nodig zou zijn. Ze waren erin geslaagd de buitenkant te analyseren met bekende ruimte-tijd-ingrediënten. Maar met slechts een licht aangepast recept (de entropieformule van 2014) ontdekten ze dat informatie het interieur ontsnapt. De berekeningen gaven hen het vertrouwen dat de semi-klassieke kijk op het interieur van het zwarte gat niet hoeft te worden opgegeven. Firewalls leken steeds meer een stap te ver.

"Als we de interieurbeschrijving weggooien, gooien we het kind met het badwater weg", zei Engelhardt. "Er is een manier om semi-klassieke zwaartekracht te gebruiken om een ​​berekening uit te voeren die correct is."

Engelhardt, een expert op het gebied van gravitatie-entropie, had enkele stukjes, en het leek erop dat Harlow er nog een paar had. Het kantoor van Engelhardt aan het MIT deelt een muur met dat van Harlow, dus het was niet meer dan normaal dat ze hun krachten bundelden. Rond dezelfde tijd verhuisde Akers naar MIT om hun postdoc te worden, en alle drie begonnen ze dat te doen pak het probleem weg.

Hoe ruimte-tijd te breken op een kwantumcomputer

Toen de pandemie begin 2020 de wereld naar binnen dwong, verplaatste het trio van academici hun gedachte-experimenten met zwarte gaten van de schoolborden van MIT naar de digitale omgeving van Zoom.

Hun doel was om alle draden te verzamelen en een soort conversieproces te ontwikkelen om het semi-klassieke interieurperspectief om te zetten in het kwantummechanische exterieurperspectief. Zo'n theorie zou nuttig zijn voor een astronaut net in het zwarte gat. Ze kon een momentopname van haar omgeving maken, de procedure doorlopen en een foto terugkrijgen die haar vertelde wat een collega buiten zag. Hoewel de twee foto's verschillende gebeurtenissen lijken vast te leggen, Rashomon stijl, zou de conversie moeten onthullen dat de scènes in het geheim compatibel zijn. Het zou een meer verfijnde heropleving zijn van Susskinds visie op complementariteit.

Akers had zichzelf er al van overtuigd dat het conversieprogramma geschreven moest worden in de taal van kwantumfoutcorrectie, zoals Harlow al had uitgewerkt voor lege ruimte. Het semi-klassieke interieur zou de boodschap zijn en het kwantum exterieur zou de transmissie zijn. En aangezien het interieur leek te groeien binnen een steeds kleiner wordende horizon, moesten ze gewoon een foutcorrigerende code uitvinden die een SOS in een enkele S kon proppen.

Akers kreeg te maken met scepsis van zijn collega's. De manier waarop de codering informatie in het zwarte gat zou moeten verwijderen, was in strijd met het kwantummechanische verbod op informatieverlies. Als de interieurastronaut haar missielogboek zou verbranden, zou ze misschien geen replica uit de as kunnen reconstrueren.

"Als je de kwantummechanica aanpast, zullen mensen denken dat je gek bent, en meestal hebben ze gelijk", zei Harlow. "Ik aarzelde."

Later dat jaar voegde een afgestudeerde student aan het MIT (nu aan Stanford) genaamd Shreya Vardhan zich bij de bemanning. Ze deed enkele concrete entropieberekeningen die uiteindelijk iedereen ervan overtuigden dat het licht breken van de kwantummechanica binnenin de enige manier was om het buiten volledig te redden.

"Shreya en Chris in het bijzonder duwden dat op verschillende manieren," zei Harlow. "Shreya heeft de laatste barrière voor mij doorbroken en ik realiseerde me dat dit echt logisch is."

Akers had met Penington gewerkt, dus hij raakte er ook bij betrokken. De inspanning kostte een paar jaar af en toe werk. En net toen ze gingen zitten om hun resultaten op te schrijven, kreeg drie vijfde van het team tegelijkertijd Covid-19. Maar afgelopen juli waren ze dan eindelijk een voordruk geplaatst waarin ze hun theorie uiteenzetten over hoe het interieur van het zwarte gat aan de buitenkant kan worden gecodeerd met 's werelds raarste foutcorrigerende code.

Dit is hoe het werkt. Een zelfopofferende astronaut in het zwarte gat legt de configuratie vast van alle fotonen, elektronen en andere deeltjes die haar en het zwarte gat omringen - een bestand met kwantumgegevens bestaande uit een aantal qubits die haar semi-klassieke ervaring vastleggen. Haar doel is om het kwantumperspectief van haar partner buiten op dat moment te begrijpen. De groep ontwikkelde een algoritme in twee stappen waarvan je je kunt voorstellen dat het op een kwantumcomputer draait om die momentopname van het interieur om te zetten.

Ten eerste versleutelt het programma de semi-klassieke qubits bijna onherkenbaar met behulp van een van de meest willekeurige transformaties in de wiskunde.

Dan komt de geheime saus. De tweede stap omvat naselectie, een vreemde operatie die vaker wordt gebruikt door informatietheoretici dan door natuurkundigen. Naselectie laat een onderzoeker een willekeurig proces manipuleren om een ​​gewenst resultaat te krijgen. Stel dat je een munt wilt opgooien en 10 kop op rij wilt krijgen. Je kunt het, op voorwaarde dat je het geduld hebt om elke keer dat het tegenvalt opnieuw te beginnen. Evenzo begint het coderingsprogramma met het meten van de semi-klassieke qubits, maar start het opnieuw op elke keer dat het een 1 krijgt. Uiteindelijk, wanneer het de meeste gecodeerde qubits heeft gemeten en met succes een reeks nullen heeft gekregen, gooit het die qubits weg. De weinige resterende, niet-gemeten qubits vertegenwoordigen de pixels van het kwantumbeeld van het zwarte gat, gezien vanaf de buitenkant. De code perst dus een groot semi-klassiek RAW-bestand samen tot een compacte kwantum-JPEG.

Het is "een verliesgevende manier om veel semi-klassieke informatie in een eindige kwantumruimte te comprimeren", zei Hartman van Cornell.

Maar er is een grote vangst. Hoe kan zo'n programma zoveel semi-klassieke informatie wissen zonder essentiële details uit te wissen? De procedure houdt in dat semi-klassieke natuurkunde vol pluisjes zit - configuraties van deeltjes die de astronaut in het interieur zou kunnen waarnemen, maar die niet echt zijn. Maar semi-klassieke natuurkunde is grondig getest in deeltjesversnellers op aarde, en onderzoekers hebben geen tekenen van dergelijke luchtspiegelingen gezien.

“Hoeveel staten zijn betrouwbaar gecodeerd? En hoe goed kan de semi-klassieke theorie het doen?” zei Hartmann. "Aangezien het verliesgevend moet zijn, is het niet duidelijk dat het helemaal niets kan."

Om uit te leggen hoe een gebrekkige theorie zo goed kon presteren, wendde het team zich tot de vreemde observatie die Hayden en Harlow in 2013 hadden gedaan, dat het decoderen van de straling voor het AMPS-experiment zoveel stappen zou vergen dat het feitelijk onmogelijk zou zijn. Misschien kan complexiteit de scheuren in de semi-klassieke natuurkunde dichten. De codering verwijderde niet willens en wetens configuraties. Het wist alleen bepaalde rangschikkingen van deeltjes uit die complex waren in de zin dat het zo lang zou duren voordat de astronaut in het interieur ze nooit zou verwachten.

Het grootste deel van het werk vormde de bewering dat de code eenvoudige toestanden in wezen onaangeroerd liet. De groep voerde aan dat voor elke versie van hun tweestapsproces het creëren van een complexe semi-klassieke configuratie zonder tegenhanger vanuit het perspectief van buitenaf in wezen een eeuwigheid zou duren - zoiets als 10,000 keer de huidige leeftijd van het universum alleen voor een subatomaire 50-qubit. stipje van een zwart gat. En voor een echt zwart gat, zoals M87 met zijn 10⁷⁰-oneven qubits, zou een experiment dat de semi-klassieke natuurkunde brak, exponentieel langer duren dan dat.

Het team stelt voor dat zwarte gaten wijzen op een nieuwe breuk in het gevestigde raamwerk van de fysica. Net zoals Einstein ooit voorspelde dat Newtons notie van starre afstanden zou mislukken bij voldoende hoge snelheden, voorspellen ze dat semi-klassieke natuurkunde faalt voor extreem complexe experimenten met een ondenkbaar aantal stappen en een onbegrijpelijke tijdsduur.

Firewalls, meent de groep, zouden een manifestatie zijn van zo'n ondenkbare complexiteit. Een echt zwart gat zoals dat in M87 bestaat pas miljarden jaren - lang niet genoeg om het semi-klassieke interieur in een firewall kapot te laten gaan. Maar als men in staat zou zijn om onwaarschijnlijk gecompliceerde experimenten uit te voeren, of als een zwart gat extreem lang zou leven, zouden alle semi-klassieke weddenschappen van de baan zijn.

"Er is een complexiteitsgrens," zei Harlow. "Als je exponentiële dingen gaat doen, begint [natuurkunde] echt anders te worden."

Gered door de vloek van complexiteit

Nadat de natuurkundigen zichzelf ervan hadden overtuigd dat de verliesloosheid van de code niet zou leiden tot merkbare scheuren in de semi-klassieke natuurkunde in het zwarte gat, onderzocht het team de gevolgen. Ze ontdekten dat de schijnbare bug de ultieme functie bleek te zijn.

“Het lijkt slecht. Het lijkt erop dat je informatie gaat verliezen omdat je veel staten verwijdert', zei Akers. Maar "het blijkt dat het alles is wat je ooit wilde."

Het gaat met name verder dan het werk van 2019 wat betreft de manier waarop informatie uit het zwarte gat komt. Of beter gezegd, het suggereert dat de qubits om te beginnen niet precies binnenin zitten.

Het geheim zit hem in de funky tweede stap van de conversie, de naselectie. Naselectie omvat dezelfde wiskundige ingrediënten, namelijk het meten van verstrengelde partners, als een kwantumproces uit het leerboek dat informatie van de ene locatie naar de andere teleporteert. Dus hoewel het conversieproces geen fysieke gebeurtenis is die zich in de tijd afspeelt, verklaart het hoe informatie lijkt over te schakelen van het interieur naar het exterieur.

Als de interieurastronaut een momentopname converteert die laat in het leven van het zwarte gat is gemaakt, leert ze in wezen dat de informatie die zich lijkt te bevinden in deeltjes om haar heen - of zelfs in haar eigen lichaam - vanuit het externe perspectief feitelijk in de Hawking zweeft. straling buiten. Naarmate de tijd verstrijkt, zal het conversieproces steeds meer onthullen dat haar wereld onwerkelijk is. Op het moment voordat het zwarte gat verdwijnt, zal haar informatie, ondanks de indruk van het tegendeel, bijna volledig buiten bestaan, vervormd in de straling. Door dit proces, momentopname voor momentopname, te volgen, kon de groep de entropieformule van Engelhardt afleiden die in 2019 informatie in de straling had gevonden. Het is ook een bijproduct van het verlies van de conversie.

Kortom, de conversie verklaart hoe een astronaut onbewust een interieur kan ervaren dat naarmate het volwassener wordt steeds verder los komt te staan ​​van de realiteit buiten. Hawking's fout, zo beweren ze, was om zichzelf volledig in de schoenen van de interieurastronaut te plaatsen en aan te nemen dat semi-klassieke natuurkunde perfect werkte, zowel binnen als buiten het zwarte gat.

Hij realiseerde zich niet, zoals Harlow en zijn bedrijf nu geloven, dat de semi-klassieke natuurkunde er niet in slaagt fenomenen en experimenten nauwkeurig vast te leggen die exponentiële complexiteit vereisen. Het decoderen van de gecodeerde informatie in de straling zou bijvoorbeeld exponentieel lang duren, en daarom voorspelt zijn semi-klassieke analyse ten onrechte dat de straling karakterloos is. De functies zijn er; het zou gewoon vele, vele malen de leeftijd van het universum kosten om ze te ontdekken.

Bovendien is er een reden waarom de informatiecapaciteit van het interieur lijkt toe te nemen terwijl de grootte van het oppervlak van het zwarte gat kleiner wordt: de semi-klassieke berekening omvat ten onrechte een groot aantal complexe toestanden die buiten geen kwantumtegenhangers hebben. Als natuurkundigen rekening houden met de manieren waarop complexiteit kan rotzooien met semi-klassieke natuurkunde, verdampt de botsing tussen het ruimte-tijdbeeld binnen en het kwantumbeeld buiten.

"We zien nu een consistente weg door de paradox," zei Harlow.

Verwarring van zwarte gaten

Voor alle vertrouwen van Harlow hebben anderen in de zwarte gatengemeenschap echter genoeg vragen.

De belangrijkste beperking is dat de theorieën die de code verbindt, uiterst eenvoudig zijn. De kwantummechanische beschrijving heeft een verzameling qubits die informatie uitstralen. De semi-klassieke beschrijving heeft een interieur gescheiden van een exterieur door een gebeurtenishorizon. En dat is het. Er is geen zwaartekracht en geen gevoel van ruimte-tijd. De code heeft de kernkenmerken van de paradox, maar mist veel details die nodig zouden zijn om te beweren dat echte zwarte gaten op deze manier werken.

"De hoop zoals altijd is dat je een speelgoedmodel hebt waarvan je alle belangrijke fysica hebt geëxtraheerd en alle onbelangrijke fysica hebt weggegooid," zei Maloney. "Er zijn redelijk goede redenen om te denken dat dat hier waar is, maar toch is het belangrijk om voorzichtig te zijn."

Er zijn tal van alternatieve oplossingen, en echte zwaartekracht zou de paradox nog steeds op een van die manieren kunnen oplossen. Mathur uit de staat Ohio leidt bijvoorbeeld een onderzoeksprogramma dat zo'n optie bestudeert. Terwijl hij analyseerde wat er zou gebeuren met een instortende ster in de snaartheorie, ontdekten hij en zijn medewerkers dat snaren de instorting kunnen stoppen. Ze vormen een kronkelende massa, een “fuzzbal”, wiens ingewikkelde kronkelen een gebeurtenishorizon - en een paradox - zou stoppen om zich te vormen. Mathur maakt verschillende bezwaren tegen de nieuwe oplossing en is over het algemeen van mening dat de lossy code een te gecompliceerd voorstel is. "De informatieparadox is al lang geleden opgelost", zei hij. (Door fuzzballen.)

Ondertussen vermoedt Marolf, die in 2019 met Engelhardt samenwerkte om de informatie in de straling op te sporen, dat hun oplossing misschien te conservatief is. "Mijn zorg is dat het bijna te gemakkelijk is," zei hij.

Hij verslikt zich in de lossiness, wat betekent dat de code in zijn huidige vorm alleen unieke antwoorden geeft aan de interieurastronaut. Als een astronaut aan de buitenkant een foto maakt en wil weten wat er over de binnenkant staat, moet hij raden naar de semi-klassieke pixels die de code wist. Ook al zijn die toestanden in zekere zin illusoir, ze zijn essentieel om de menselijke ervaring binnenin te begrijpen. Voor sommige gissingen zou hij een rustig interieur kunnen vinden. In andere een razende firewall. Het maakt niet uit hoe verfijnd de kwantumtheorie buiten is, het zal nooit met zekerheid kunnen zeggen wat hij zou vinden als hij erin zou springen.

"Het stoort me een beetje", zei Marolf. "Ik zou gedacht hebben dat een theorie die fundamenteel is alles zou moeten voorspellen - inclusief wat we als realiteit ervaren."

Verlies in opkomst

Sommige sceptici van het oorspronkelijke voorstel zijn sindsdien op het idee gekomen, waaronder Isaac Kim, een computerwetenschapper aan de University of California, Davis, en John Preskill, een kwantumfysicus aan het California Institute of Technology en een van de prominenten die aanwezig waren bij de firewall-confrontatie van 2013.

"We hoorden door de wijnstok dat dit werk eraan zat te komen," zei Kim. "Het klonk alsof er iets mis moest gaan."

Kim schrok van het gebruik van naselectie. Eerdere toepassingen van naselectie waren onder meer blauwdrukken voor tijdmachines en onredelijk krachtige kwantumcomputers, dus het uiterlijk sprong eruit als een rode vlag. Hij vermoedde dat details die ontbreken in de initiële code, zoals hoe het werkt voor een astronaut die buiten straling meet en vervolgens naar binnen valt, gecombineerd zouden kunnen worden met de naselectie om zelfs het externe perspectief te verpesten en informatie daar te verwijderen.

Dan in december, Kim en Preskill de code geüpgraded en ontdekte dat het zwarte gat veilig informatie bleef uitstralen in het externe beeld. Ze ontdekten ook dat naselectie geen maas in de wet was voor het zwarte gat om absurd krachtige berekeningen uit te voeren - of astronauten terug naar de toekomst te lanceren.

"Opmerkelijk is dat binnen dit model, hoewel je naselectie toestaat, dat niet gebeurt," zei hij. "Dat heeft me ervan overtuigd dat hier iets corrects aan de hand is."

DeWolfe en zijn medewerker Kenneth Higginbotham verder gegeneraliseerd de lossy code in april. Ze concludeerden ook dat het bestand was tegen vallende astronauten.

Andere onderzoekers hebben de afgelopen maanden nagegaan of hun favoriete zwaartekrachttheorieën lossiness verbergen. In oktober, Arjun Kar van de Universiteit van British Columbia porteerde de lossy code van Harlow en collega's in een bekende theorie van 2D-zwaartekracht en ontdekte dat deze stand hield. "Ze lijken echt iets interessants te hebben gevonden over kwantumfoutcorrectie", zei hij.

Doorgaan op dit pad - zoeken naar verlies in meer zwaartekrachttheorieën - is de belangrijkste manier waarop natuurkundigen hopen het vertrouwen op te bouwen of te vernietigen dat echte zwaartekracht echt zo werkt. Weinigen dromen ervan de code te onderzoeken met een experiment.

"Het is niet duidelijk hoe we dit account ooit zouden testen," zei Aaronson, "behalve om te proberen er een kwantumtheorie van de zwaartekracht bovenop te bouwen en te kijken of die theorie succesvol is."

Harlow is echter een dromer. “Ik denk niet dat het onmogelijk is. Het is gewoon moeilijk,' zei hij terwijl hij het volgende gedachte-experiment uiteenzette.

Je stopt een klein zwart gat in een doos en vangt elk foton van Hawking-straling op dat eruit komt, en slaat al die informatie op in een kwantumcomputer. Omdat die informatie vanuit het oogpunt van een inwendig deeltje in het zwarte gat lijkt te bestaan, kan het manipuleren van de straling het deeltje onmiddellijk beïnvloeden - een echte actie op een afstand die spookachtig genoeg is om elke natuurkundige te achtervolgen. "Ik zou niets moeten kunnen doen aan de straling dat iets in het interieur verandert," zei Harlow. "Dat is een inzinking die kwam omdat je de complexiteitsgrens overschreed."

Maar zelfs om over zo'n experiment te fantaseren, moet Harlow overschakelen naar een eeuwig universum om zichzelf voldoende tijd te gunnen, aangezien de activiteit in onze uitdijende kosmos biljoenen keren zou wegsterven voordat men zou kunnen hopen de straling van zelfs de kleinste deeltjes te manipuleren. zwarte gaten. (Bovendien werken Susskind en anderen aan een gerelateerde hoek van de zwarte gaten-puzzel hebben onlangs overlappende ideeën gevonden over complexiteit en ondoorgrondelijk lange tijdsperioden.)

Desalniettemin laat Harlow zich niet afschrikken door kleine details, zoals de hittedood van het universum. Als onmogelijke gedachte-experimenten met treinen die met bijna lichte snelheid rijden goed genoeg waren voor Einstein, dan zijn ze volgens hem goed genoeg voor hem.

"We hebben nog steeds geen treinen, maar [relativiteit] heeft gevolgen voor verschillende andere dingen die we hebben getest," zei hij.

Harlow is de nieuwste in een lange rij natuurkundigen van zwarte gaten met een relatie met fysiek bewijs dat toevallige waarnemers misschien verrassend vinden. Niemand heeft tenslotte ooit één foton van Hawking-straling gezien, en dat zal ook nooit gebeuren. Het is veel te zwak, zelfs als je de James Webb Space Telescope in een baan rond een echt zwart gat parkeert.

Maar dat heeft meerdere generaties natuurkundigen, van Stephen Hawking en Leonard Susskind tot Netta Engelhardt, Chris Akers en nog tientallen anderen, er niet van weerhouden om levendig te debatteren over hoe om te gaan met de bundel conflicten die samen met het theoretische bad uit het zwarte gat komen tuimelen. van fotonen.

Zelfs terwijl ze hun zaak opbouwen en versterken, erkennen ze dat de enige sluitende manier om te zien of zwarte gaten de ultieme kosmische gevangenis of een vurige doodstraf vertegenwoordigen, is om aan het oorspronkelijke ondenkbare gedachte-experiment te beginnen.

"Als er twee mensen zijn die niets liever willen dan hun meningsverschil oplossen, kunnen ze alleen maar inspringen", zei Penington. "Of ze worden allebei onmiddellijk verdampt en ze lossen het toch nooit op, of ze halen het binnen en een van hen zegt: 'Oh, eerlijk genoeg, ik had het mis.'"

Noot van de redactie: een aantal wetenschappers die in dit artikel aan bod komen, waaronder Daniel Harlow en Chris Akers, hebben financiering ontvangen van de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. Financieringsbeslissingen van de Simons Foundation hebben geen invloed op onze dekking. Meer details zijn beschikbaar Hier.