Vào tháng 2013 năm XNUMX, hàng chục nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng đã tập trung tại Santa Barbara, California để thảo luận về một cuộc khủng hoảng. Sự hiểu biết mong manh của họ về lỗ đen đang sụp đổ. Nhìn từ xa, giống như qua kính viễn vọng, một lỗ đen sẽ hành xử giống như một hành tinh, một ngôi sao hoặc bất kỳ tập hợp hạt cơ bản nào khác. Nhưng nếu các nhà vật lý tin vào công trình của Albert Einstein, như hầu hết họ đã tin, thì những hậu quả không thể xảy ra sẽ xảy ra khi họ xem xét lỗ đen từ quan điểm của một người nào đó ngay bên trong ranh giới của nó.

Một thí nghiệm tưởng tượng vào năm trước đã làm sắc nét thêm xung đột quan điểm này, đột ngột chấm dứt hiệp định đình chiến kéo dài hai thập kỷ giữa những người tin rằng quan điểm bên ngoài là quan điểm cơ bản và những người tập trung vào quan điểm từ bên trong. Đột nhiên, tất cả các loại niềm tin vật lý bất khả xâm phạm đều được đưa ra tranh luận. Những người đứng sau thí nghiệm tưởng tượng đã gợi ý một cách tuyệt vọng rằng phần bên trong lỗ đen có thể đơn giản là không tồn tại — rằng không-thời gian kết thúc ở rìa của lỗ đen trong một bức tường lửa theo nghĩa đen.

Như một phần mở rộng của suy nghĩ đó, một người tham dự hội nghị thậm chí còn gợi ý, phần lớn là đùa cợt, rằng nghịch lý dường như ngụ ý rằng các định luật vật lý đã biết có thể luôn luôn bị phá vỡ ở mọi nơi, một nhận xét đã mang lại tiếng cười xứng đáng cho Hầm hài kịch. . Một trong những người tham gia cơ sở hơn, Daniel Harlow, cầm mic và phản ứng bằng một câu "Anh bạn" đầy hoài nghi trước khi hướng cuộc trò chuyện trở lại nền tảng ít dị giáo hơn.

“Chỉ có một loạt” động não, nói Patrick Hayden, một nhà khoa học máy tính đã trở thành nhà vật lý tại Đại học Stanford. “Việc mọi người sẵn sàng mạo hiểm với những ý tưởng điên rồ thật đáng kinh ngạc.”

Sau một thập kỷ tranh luận và tính toán, Harlow, hiện là nhà vật lý cao cấp tại Viện Công nghệ Massachusetts, tin rằng ông và một nhóm các nhà lý thuyết đầy triển vọng cuối cùng đã tìm ra cách, hoặc ít nhất là một cách, để bình phương bề ngoài. và tầm nhìn nội thất. Khi làm như vậy, họ đã thiết lập một điều gì đó hòa dịu giữa thế giới đang gây chiến của thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Độ phân giải của chúng, kết hợp các ý tưởng xa vời từ lý thuyết thông tin lượng tử và tính toán đột phá từ năm 2019, là một nỗ lực đau đầu và khó thắng để có được bên ngoài và giữ được phần lớn bên trong.

“Họ đã thành công trong việc chứng tỏ rằng ít nhất về nguyên tắc, căng thẳng này có thể được giải quyết,” ông nói. Tom Hartman, một nhà vật lý tại Đại học Cornell, người đã tìm thấy một đặc điểm hàng đầu trong lý thuyết của họ trong một mô hình hấp dẫn khác.

Mặc dù quy trình của họ hiện chỉ hoạt động với một bức tranh biếm họa đơn giản về lỗ đen, nhưng nó nắm bắt được nhiều đặc điểm kỳ dị của các ngôi sao bị sụp đổ. Nếu nó đúng với các lỗ đen thực sự, thì nó sẽ trả lời một cách thuyết phục hàng loạt câu hỏi cổ điển về lỗ đen, từ những gì một phi hành gia sẽ trải qua khi cô ấy rơi vào lỗ đen cho đến số phận cuối cùng của thông tin chứa trong sự sắp xếp các phân tử của cô ấy.

“Ở một mức độ nào đó, nó đại diện cho sự kết thúc của một cuộc cách mạng, hơn là sự khởi đầu,” ông nói Geoff Penington, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley và là người đóng góp cho công trình mới.

"Nó rất thú vị. Nó có thể sai, nhưng tôi nghĩ đây là bản chất đúng,” ông nói. Oliver DeWolfe, một nhà vật lý tại Đại học Colorado, Boulder và là một trong số ít các nhà nghiên cứu đã xây dựng dựa trên đề xuất của Harlow và công ty vào năm ngoái.

Cả nhóm cố gắng cứu phần bên trong lỗ đen khỏi sự hy sinh hoàn toàn bằng cách gây ra một vết thương trên da thịt: Trong một tình huống trớ trêu, Harlow và công ty đề xuất rằng các định luật vật lý quen thuộc thực sự bị phá vỡ bên trong lỗ đen — và có lẽ ở mọi nơi mọi lúc. Nhưng họ làm như vậy theo một cách chưa từng được biết đến trước đây, một cách quá tinh vi để bất kỳ ai cũng có thể nhận ra. Gốc rễ là một ràng buộc không phải từ vật chất hay chất liệu của không-thời gian. Thay vào đó, nó xuất phát từ những lập luận liên quan đến sự phức tạp - những khả năng về cơ bản là vô tận chứa đựng trong khối lượng thông tin lượng tử khổng lồ.

Từ Bức xạ Hawking đến Tường lửa

Một phiên họp tại xưởng Santa Barbara được dẫn dắt bởi kiến ​​trúc sư chính của cuộc cách mạng hố đen. Skyping từ văn phòng Cambridge của anh ấy trên một màn hình máy chiếu mở rộng, một màn hình lớn hơn thực tế Stephen Hawking bảo vệ quan điểm rằng không gian và thời gian tồn tại bên trong lỗ đen. “Cách đây một thời gian, tôi đã viết một bài báo gây tranh cãi kéo dài cho đến tận ngày nay,” anh bắt đầu.

Cuộc tranh cãi đó xoay quanh cách mà các hố đen dường như là sân khấu cho hành động biến mất vĩ đại nhất trong vũ trụ.

Năm 1974, Hawking tính rằng xung quanh chân trời sự kiện — khối cầu không quay lại bao quanh một lỗ đen — các dao động lượng tử tạo ra các cặp hạt. Một đối tác rơi vào hố đen trong khi đối tác kia trốn thoát. Theo thời gian, các đối tác chồng chất cả bên trong và bên ngoài lỗ đen, nơi họ bay trong một đám mây “bức xạ Hawking” đang mở rộng.

Rắc rối bắt đầu với thực tế là theo thuật ngữ của cơ học lượng tử, mỗi bộ đôi được liên kết với nhau bằng sự vướng víu, nghĩa là hai hạt cùng mang một đơn vị thông tin. Mỗi đối tác giống như mặt của một đồng xu, có thể được sử dụng để trả lời câu hỏi có hoặc không. Khả năng có hoặc không duy nhất này được gọi là “bit” hoặc “qubit” nếu đối tượng có thể tồn tại trong một tổ hợp lượng tử được gọi là chồng chất. Nhưng không giống như hai mặt của một đồng xu, các hạt vướng víu có thể tách rời nhau. Tuy nhiên, nếu một phép đo tìm thấy một đối tác bên ngoài đọc “đầu”, một phép đo khác chắc chắn sẽ tìm thấy đối tác bên trong đọc “sấp”.

Điều đó dường như mâu thuẫn với hệ quả thứ hai trong tính toán của Hawking. Khi lỗ đen phát ra các hạt, cuối cùng nó sẽ bốc hơi hoàn toàn. Sau vô số thời đại, chỉ còn lại đám mây phóng xạ. Nhưng vì mỗi đối tác bên ngoài chia sẻ một chút với đối tác bên trong của nó, nên chỉ riêng bức xạ Hawking cũng chẳng có ý nghĩa gì giống như một con heo đất chứa đầy những đồng xu một mặt. Các qubit thông tin bên trong lỗ đen, ghi lại thời gian tồn tại của lỗ đen và tất cả những gì rơi vào trong đó, dường như biến mất — một sự phát triển phi lý.

“Miễn là thứ đó ở đâu đó bên trong là được,” anh nói Samir Mathur, một nhà vật lý tại Đại học bang Ohio và là một trong những điều phối viên của hội nghị năm 2013. “Nhưng nếu lỗ đen biến mất, những kẻ bên ngoài sẽ không có bất kỳ trạng thái xác định nào cả.”

Sự sụp đổ khó hiểu của các lỗ đen cũ đã khiến các nhà vật lý chấp nhận một trong hai quan điểm trái ngược nhau, tùy thuộc vào việc họ trung thành với thuyết không-thời gian cong của Einstein, được gọi là thuyết tương đối rộng, hay với cơ học lượng tử. Hawking, trong nhiều năm, đã đặt cược vào Einstein. Hawking tin rằng nếu bẫy các hạt và xóa qubit của chúng vi phạm lệnh cấm cơ học lượng tử đối với đồng tiền một mặt, thì điều tồi tệ hơn nhiều đối với cơ học lượng tử.

Những người khác thích giữ tâm trí của họ bên ngoài lỗ đen. Họ đứng về phía cơ học lượng tử, cơ học đảm bảo chặt chẽ cho quan niệm lãng mạn rằng thông tin không bao giờ thực sự bị mất. Ví dụ, sau khi đốt một cuốn nhật ký, người ta có thể tưởng tượng việc thu được đám khói, tro và hơi nóng và dựng lại những câu đã mất. Một lỗ đen có thể tranh giành các hạt của một cuốn nhật ký dữ dội hơn một đống lửa, nhưng logic tương tự cũng sẽ được áp dụng. Nếu bức xạ Hawking là tất cả những gì còn lại, thì thông tin của văn bản chắc chắn đã bị rò rỉ vào bên trong bằng cách nào đó - đừng bận tâm rằng lý thuyết về không-thời gian của Einstein yêu cầu nó phải bị mắc kẹt bên trong.

Phần cuối cùng của nghịch lý là phân tích của Hawking đã tìm thấy bức xạ hoàn toàn ngẫu nhiên - không có bất kỳ thông tin nào để giải mã. Công trình của ông đưa ra hai kết luận trái ngược nhau: lỗ đen bốc hơi (ngụ ý rằng bức xạ cuối cùng sẽ mang thông tin đi), và bức xạ không mang thông tin. Không thể cả hai đều đúng, vì vậy hầu hết các nhà vật lý đều cho rằng Hawking đã sai lầm bằng cách nào đó.

Nhưng sai lầm của anh ấy không phải là một sai lầm rõ ràng. Hawking đã phát hiện ra cả bức xạ và tính ngẫu nhiên của nó bằng cách phân tích cách các trường lượng tử hoạt động trong một không-thời gian uốn cong nhẹ nhàng — một khuôn khổ đã được thử nghiệm nghiêm ngặt được gọi là vật lý bán cổ điển. Cách tiếp cận bán cổ điển của Hawking chỉ dựa trên các khía cạnh của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng dường như không thể chê vào đâu được. Những cách xử lý tương tự tạo nên nền tảng của hầu hết các lý thuyết hiện đại, bao gồm cả Mô hình Chuẩn nổi tiếng của vật lý hạt cơ bản.

Các nhà vật lý cho rằng vật lý bán cổ điển sẽ chùn bước khi lực hấp dẫn tăng cường độ, giống như nó xảy ra ở trung tâm vẫn chưa thể khám phá của một lỗ đen, vượt xa chân trời sự kiện của nó. Nhưng đối với các lỗ đen lớn, bản thân chân trời sự kiện hầu như vô hại; một phi hành gia tò mò và được cung cấp đầy đủ có thể rơi vào và tồn tại trong một thời gian dài trước khi gặp cái chết không thể tránh khỏi của cô ấy gần trung tâm. Thật vậy, ở chân trời của lỗ đen khổng lồ ở trung tâm thiên hà M87, lỗ đen đầu tiên được chụp ảnh trực tiếp, lực hấp dẫn không kéo mạnh hơn nhiều so với trên Trái đất. Nếu Hawking đang đưa ra những giả định bán cổ điển sai lầm, thì mọi người khác trên hành tinh này cũng vậy. “Nếu các định luật vật lý được mô tả bởi [vật lý bán cổ điển] hoạt động ở đây trên Trái đất,” nói Alex Maloney, một nhà vật lý tại Đại học McGill, “tại sao chúng không hoạt động ở chân trời sự kiện?”

Sau nhiều thập kỷ tranh luận về sai lầm được cho là của Hawking, một số nhà vật lý đã cố gắng dàn xếp một thỏa thuận đình chiến giữa hai bên. Vào năm 1993, Leonard Susskind của Đại học Stanford bắt đầu bảo vệ quan điểm rằng không có lỗi. Nói một cách đại khái, xung đột nảy sinh từ một khát vọng phi thực tế là nắm giữ cả bên trong và bên ngoài lỗ đen trong tâm trí của một người cùng một lúc.

Thay vào đó, Susskind và các cộng tác viên lập luận, sợi dây mà một phi hành gia bên ngoài sẽ kể chỉ đơn giản là khác với những gì một phi hành gia sắp vào nghề sẽ báo cáo. Một phi hành gia ở xa sẽ chứng kiến ​​người bạn đồng hành của họ lăn bánh trên bề mặt lỗ đen, bề mặt này sẽ gợn sóng khi nó hấp thụ kẻ xâm phạm. Họ sẽ xem thông tin lan truyền trên bề mặt của lỗ đen và cuối cùng biến mất dưới dạng bức xạ, mà không bao giờ biến mất bên trong. Tuy nhiên, từ góc nhìn của người bạn đồng hành, cô ấy đã đi vào lỗ đen một cách an toàn, nơi cả cô ấy và thông tin của cô ấy đều bị mắc kẹt. Tài khoản của cô ấy khác với tài khoản của bạn cô ấy, nhưng vì cô ấy không thể gửi lời phủ nhận báo cáo của họ, liệu có thực sự có vấn đề không? Theo một nghĩa nào đó, hai câu chuyện có thể bổ sung cho nhau.

“Tôi luôn thấy điều đó thật khó hiểu,” nói Scott Aaronson, một nhà khoa học máy tính lý thuyết tại Đại học Texas, Austin, nhưng “mọi người đã giải quyết vấn đề đó trong một hoặc hai thập kỷ.”

Vào năm 2012, bốn nhà vật lý đã xuất hiện và đốt cháy lập luận bổ sung cho nhau. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski và James Sully - một đội thường được gọi bằng tên viết tắt của họ, AMPS - đã trình bày chi tiết hai bước thử nghiệm suy nghĩ điều đó sẽ cho phép một người quan sát chứng kiến ​​lỗ đen lưu trữ thông tin ở hai nơi cùng một lúc.

Đầu tiên, một phi hành gia bên ngoài nhặt mọi hạt mà lỗ đen phát ra trong hầu hết 10⁶⁷-năm trọn đời. Giả sử rằng thông tin đi vào bức xạ, một số đối tác bên ngoài phải trở nên vướng víu với nhau, tạo cho chúng những trạng thái xác định. Phi hành gia phân tích các hạt này và xác nhận rằng chúng bị vướng víu. Aaronson nói: “Giả sử bạn có một khoản trợ cấp [nghiên cứu] rất dài.

Sau đó, cô ấy lao vào lỗ đen và xác nhận rằng một số đối tác mà cô ấy nghiên cứu bên ngoài cũng bị vướng vào các đối tác bên trong. Tính toán bán cổ điển của Hawking chỉ ra rằng cô ấy sẽ tìm thấy thứ này, ngụ ý rằng thứ trông giống như đồng xu hai mặt công bằng bên ngoài lỗ đen đang ẩn giấu một mặt thứ ba bất hợp pháp bên trong.

AMPS đã chứng minh rằng không có gì phải trốn tránh nghịch lý Hawking. Họ miễn cưỡng đứng về phía cơ học lượng tử bên ngoài lỗ đen, và kết quả là họ đã hy sinh không gian bên trong: Có lẽ lỗ đen đã làm bốc hơi vật chất rơi xuống bằng một “bức tường lửa” ở đường chân trời, ngăn cản bất kỳ phi hành gia can thiệp nào hoàn thành thí nghiệm. “Hố đen hoàn toàn không có phần bên trong,” Aaronson nói, mô tả kết luận của họ. “Khi bạn cố gắng nhảy vào, bạn gặp phải sự kết thúc của không-thời gian.”

Không ai cảm thấy hài lòng về ý tưởng này, vì vật lý học bán cổ điển không có dấu hiệu nào cho thấy việc đi qua đường chân trời sẽ có cảm giác khác với việc băng qua biên giới từ Illinois đến Iowa. Cộng đồng đã tổ chức một loạt hội thảo để tìm cách thoát khỏi tình trạng lộn xộn, đỉnh điểm là cuộc họp ở Santa Barbara.

Harlow nói: “Chúng tôi đã có một vài tháng vui vẻ khi mọi người cố gắng loại bỏ lập luận đó và không thành công.

Giữa sự hỗn loạn, Harlow đã hợp tác với Hayden - khi đó là một nhà khoa học máy tính - để nghiên cứu những gì cần thiết để một phi hành gia thực sự thực hiện thí nghiệm AMPS. Họ coi lỗ đen như một thiết bị mã hóa lượng tử — thứ gì đó thu nhận thông tin rõ ràng (vật chất bình thường) và phun ra thứ có vẻ là thông tin hỗn độn (bức xạ). Trong bối cảnh này, người ta có thể tưởng tượng việc thực hiện thí nghiệm AMPS bằng cách sử dụng một cỗ máy để sắp xếp lại thông tin - một cỗ máy giống như máy tính lượng tử. Và với một kết quả quan trọng từ luận án tiến sĩ của Aaronson về giới hạn của tính toán lượng tử, họ đã phát hiện ra một điều kỳ lạ.

Một lỗ đen nghiền nát vật chất đang rơi xuống một cách triệt để đến mức nếu một phi hành gia thực sự giao nhiệm vụ cho một máy tính lượng tử giải mã bức xạ, thì nhiệm vụ này sẽ mất nhiều thời gian. Sẽ mất nhiều thời gian đến mức lỗ đen sẽ biến mất từ ​​​​lâu trước khi thanh tiến trình đạt được dù chỉ một phần nhỏ của 1%. Và đến lúc đó, phi hành gia sẽ không thể nhảy vào để bắt thông tin bên ngoài chiếu vào bên trong, bởi vì bên trong sẽ không tồn tại.

“Đó là một quan sát mà chúng tôi thực sự không biết phải làm gì,” Harlow nói. “Cuối cùng, 10 năm sau, chúng tôi biết phải làm gì với nó.”

Cách tạo Không-Thời gian trên Máy tính Lượng tử

Sau công trình năm 2013, Harlow gạt lỗ đen sang một bên để tập trung vào một vấn đề đơn giản hơn: bản thân không gian trống. Ông bắt đầu nghiên cứu một loại không gian đảo ngược phi thực tế được gọi là không gian phản de Sitter cũng thừa nhận hai mô tả rất khác nhau, giống như các lỗ đen.

“Nếu tôi hiểu đủ rõ về không gian phản de Sitter, điều đó sẽ gợi ý con đường tiến về phía trước, quay trở lại lỗ đen,” Harlow nhớ lại suy nghĩ. “Và điều đó đã thực sự thành công.”

Các nhà vật lý thích thú với không gian phản de Sitter vì nó uốn cong theo một cách kỳ lạ cho phép một thể tích không gian vô hạn nằm gọn trong một đường biên hữu hạn. Đáng chú ý hơn nữa, dường như có một cách diễn đạt lại bất kỳ sự kiện nào diễn ra trong không gian phản de Sitter dưới dạng các hạt sống trên ranh giới, chúng vận hành theo các quy tắc vật lý hoàn toàn khác. Ví dụ, một hệ mặt trời ở vùng trung tâm phản de Sitter có thể được mô tả như một tập hợp các hạt phân tán xung quanh ranh giới chỉ tuân theo thuyết lượng tử và hoàn toàn không có cảm giác về trọng lực hay không-thời gian.

Câu hỏi chính đối với Harlow là làm thế nào các hạt trên ranh giới, không có khái niệm về không-thời gian, có thể nắm bắt được trải nghiệm của một cư dân của một hành tinh ở khu vực trung tâm, nơi mà không-thời gian là quan trọng không thể phủ nhận. Một cách ngây thơ, chúng ta có thể gặp phải một vấn đề trong đó các sự kiện ranh giới có thể vang dội ngay lập tức khắp vùng giữa — nơi mà các hiệu ứng cần có thời gian để lan truyền. Vì vấn đề đó, mối quan hệ giữa các hạt ranh giới và không-thời gian trung tâm phải lỏng lẻo, để những thay đổi của ranh giới không ảnh hưởng ngay lập tức đến phần giữa, nhưng không lỏng lẻo đến mức ranh giới hoàn toàn mất dấu những gì đang diễn ra ở trung tâm .

“Bạn cần độc lập với tất cả các phần của hệ thống, nhưng không độc lập với hệ thống, điều này giống như aaargh,” Harlow nói, bực bội giơ tay.

Cuối cùng, Harlow nhận ra rằng một nhóm các nhà nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề. Họ đã không nghĩ về cấu trúc của không-thời gian chút nào. Họ đang phát minh ra cách để máy tính lượng tử sửa lỗi của chúng.

Để hiểu cách sửa lỗi thể hiện mối quan hệ Goldilocks mà Harlow đã tìm kiếm, hãy xem xét một sơ đồ đơn giản để mã hóa thông báo một bit cổ điển thành truyền ba bit. Để biểu thị 1, truyền 111. Để biểu thị 0, truyền 000. Ngay cả khi xảy ra lỗi, người nhận chỉ có thể lấy đa số phiếu bầu. Nó vẫn sẽ hiểu 001 có nghĩa là 0 hoặc 011 có nghĩa là 1. Một lỗi đơn lẻ không làm hỏng thông báo vì thông tin nằm trong tất cả các chữ số. Thông điệp độc lập với từng phần riêng lẻ, nhưng không độc lập với toàn bộ quá trình truyền tải - đúng như những gì Harlow cần. Sửa lỗi lượng tử trong qubit (trái ngược với bit cổ điển) yêu cầu các sơ đồ phức tạp hơn, nhưng hai vấn đề đều có chung đặc điểm này là làm nhòe thông tin giữa nhiều phần. trong 2014, Harlow hợp tác với Almheiri của AMPS và Xi Dong của Đại học California, Santa Barbara để giải thích cách mã sửa lỗi lượng tử có thể truyền bá thông tin không-thời gian anti-de Sitter giữa các qubit ranh giới.

Ý chính của ý tưởng là như sau. Hãy tưởng tượng điểm trung tâm trong không gian anti-de Sitter là một thông điệp một bit. Các hạt ranh giới là các chữ số của truyền. Chia ranh giới thành ba vòng cung. Các hạt của bất kỳ một cung nào biết về các điểm anti-de Sitter trong vùng lân cận. Nhưng họ không biết về các điểm bên ngoài khu vực đó. Không một cung nào biết về điểm trung tâm, một tình huống gợi nhớ đến việc không có một chữ số truyền nào đủ để tái tạo lại thông điệp.

Nhưng điểm trung tâm thực sự nằm trong vùng kết hợp thuộc về hai cung bất kỳ - phản ánh cách hai chữ số truyền đủ để giải mã thông điệp. Theo cách này, sửa lỗi dường như là một ngôn ngữ phù hợp để hiểu không gian trống rỗng anti-de Sitter từ hai góc độ: hoặc là không-thời gian cố định hoặc, thật thú vị, là một tập hợp các qubit lượng tử không có không gian.

“Điều này thật đáng ngạc nhiên,” DeWolfe nói. Thông tin lượng tử không chỉ để xây dựng máy tính lượng tử. “Hóa ra đây là những ý tưởng đủ quan trọng mà lực hấp dẫn lượng tử dường như sử dụng chúng.”

Harlow đã thành công trong việc liên kết hai cách nhìn về không-thời gian. Vấn đề duy nhất là khuôn khổ không đạt được mục đích dự định của nó. Khi không-thời gian chứa lỗ đen, việc sửa lỗi lượng tử không thành công.

Đầu năm 2012, các nhà vật lý đã đưa ra ý tưởng giải quyết phần bên trong lỗ đen bằng các mã sửa lỗi. Nhưng một lần nữa, những quan điểm mâu thuẫn trong tính toán của Hawking đã khiến họ bối rối. Một phi hành gia bên trong chân trời sự kiện sẽ thấy các đối tác bức xạ rơi xuống như mưa vô tận. Dung lượng thông tin của lỗ đen, nếu bạn tưởng tượng nó như một ổ cứng vũ trụ, sẽ tăng lên trong suốt vòng đời của nó.

Trong khi đó, một phi hành gia bên ngoài lỗ đen trong những năm hoàng kim của nó sẽ thấy nó thu nhỏ kích thước theo đúng nghĩa đen khi nó bốc hơi. Để đạt được nguyện vọng bình phương hóa hai quan điểm bằng cách sửa lỗi, Harlow dường như cần một cách mã hóa phần bên trong đang phát triển thành ranh giới đang thu hẹp lại của nó, một nhiệm vụ giống như yêu cầu một thủy thủ ghép thông điệp “SOS” vào một đường truyền một ký tự.

“Câu chuyện đã loại trừ phần bên trong của lỗ đen,” nói Christopher Akers, một nhà nghiên cứu tại MIT với tư cách là sinh viên mới tốt nghiệp năm thứ hai vào năm 2016 đã được truyền cảm hứng từ một bài báo sửa lỗi có ảnh hưởng của Harlow's. “Điều đó khiến tôi cảm thấy kỳ lạ, vì vậy tôi đã dành rất nhiều thời gian để suy nghĩ về cách bạn có thể bao gồm các lỗ đen theo cách tốt hơn.”

Anh ấy sẽ mất bốn năm để tìm ra một cuốn sách, và một năm nữa để giúp thuyết phục Harlow rằng nó có ý nghĩa.

Một công thức để trốn thoát thông tin

Trong khi Harlow và Akers đang phân vân riêng về bên trong lỗ đen, thì một nhóm các nhà nghiên cứu đang trên bờ vực phá vỡ bên ngoài. Penington, một nhà vật lý đang lên người Anh, là một trong những nhân vật chủ chốt. Anh ấy đã bỏ lỡ vở kịch tường lửa tại hội nghị Santa Barbara, kể từ năm 2013, anh ấy 21 tuổi và đang học dở chương trình đại học tại Đại học Cambridge.

Khi Penington đến thăm Stanford vào năm 2015 với tư cách là một sinh viên sắp tốt nghiệp, anh cảm thấy bị giằng xé giữa việc nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử và thông tin lượng tử để lấy bằng tiến sĩ. Rồi anh gặp Hayden. Penington rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng mẹ anh — Frances Kirwan, một nhà toán học tại Oxford — từng là một trong những người hướng dẫn tốt nghiệp của Hayden, và Hayden, một người Canada bản địa, đã giúp mẹ anh lên kế hoạch cho một chuyến đi ca nô đến vùng nông thôn Ontario mà anh đã thực hiện khi đó. anh ấy 8 tuổi. Anh ấy thậm chí còn ngạc nhiên hơn khi biết rằng Hayden là trung tâm của nỗ lực giải thích các lỗ đen bằng qubit, kết hợp hai sở thích của Penington. Cặp đôi quyết định làm việc cùng nhau.

Hayden và Penington bắt đầu với những gì họ nghĩ là một vấn đề trừu tượng về các mã sửa lỗi không hoàn hảo, xuất bản một giấy thông tin lượng tử giật gân vào năm 2017. Công trình đó không đề cập đến lỗ đen hay không-thời gian, nhưng năm sau họ đã mang mã của mình đến không gian chống de Sitter. Cuối cùng, theo một công thức được phát triển vào năm 2014 bởi Netta Engelhardt, một nhà vật lý thiên niên kỷ đồng nghiệp, Penington bắt đầu nghi ngờ rằng một vùng cụ thể của không gian phản de Sitter đang theo dõi entropy, một đại lượng liên quan đến khả năng thông tin của đám mây bức xạ Hawking rối rắm phát ra từ một lỗ đen. Anh ấy đã dành cả mùa đông năm 2018-2019 để tự mình tìm ra các chi tiết để kiểm tra linh cảm của mình.

“Đó là công việc khó khăn nhất mà tôi đã liên tục nghiên cứu về vật lý trong đời mình,” Penington nói. “Tôi đang đi nghỉ ở Mexico vào dịp Giáng sinh nhưng trong lòng luôn thầm nghĩ về điều đó. Bạn bè tôi cứ hỏi, 'Tại sao bạn lại im lặng như vậy?'”

Cũng trong khoảng thời gian đó, Engelhardt đang miệt mài thực hiện một phép tính về cơ bản giống hệt nhau. Vào đầu năm 2019, cô ấy đã hợp tác với Almheiri và Marolf của AMPS và Henry Maxfield tại Stanford để sử dụng công thức 2014, mang lại entropy trong tình huống liên quan đến trọng lực, để nghiên cứu thông tin trong bức xạ vướng víu bên ngoài lỗ đen.

Hai đội có câu trả lời giống nhau, mà họ đã tiết lộ trong phối hợp giấy tờ vào tháng 2019 năm XNUMX. Các phép tính tương đương với việc đếm các “cái đầu” trong bức xạ bên ngoài — thứ cho bạn biết có bao nhiêu “cái đuôi” vướng víu ẩn bên trong lỗ đen. Đối với các lỗ đen trẻ, trống rỗng, số lượng các mặt đồng xu bị tách rời tăng lên khi chân trời sự kiện chia tách các cặp Hawking, đúng như Hawking mong đợi. Nhưng cùng với tuổi tác, số lượng các mặt bị tách rời bắt đầu giảm đi — ngụ ý rằng lỗ đen đã đầy lên và bằng cách nào đó đang thải thông tin ra ngoài bức xạ bên ngoài, đúng như yêu cầu của cơ học lượng tử.

“Những bài báo tháng XNUMX này, chúng thực sự tuyệt vời,” Harlow nói. Anh ấy rất ấn tượng rằng họ có “can đảm để tính toán. Tôi đã có thể nghĩ rằng nó là quá khó.

Cuối cùng, Penington, Engelhardt và cộng sự của họ nghĩ rằng họ đã hiểu điều gì đang xảy ra bên ngoài lỗ đen. Thông tin thực sự đã rò rỉ vào trong bức xạ, như nhiều nhà vật lý đã giả định. Thực tế này có ba hậu quả quan trọng.

Đầu tiên, nó thu hẹp khả năng sai lầm của Hawking. Bức xạ không thể thực sự ngẫu nhiên, vậy tại sao vật lý bán cổ điển đáng tin cậy lại cho rằng nó là như vậy?

Thứ hai, nó di chuyển ranh giới hiểu biết của họ từ bên ngoài lỗ đen vào bên trong. Làm thế nào một phi hành gia ngay bên trong chân trời sự kiện của một lỗ đen cũ sẽ trải qua sự bốc hơi?

Cuối cùng, nó gợi ý rằng khuôn khổ bán cổ điển của Hawking gần như đúng, và bước đầu tiên đi vào bên trong không cần phải có một lý thuyết toàn diện về lực hấp dẫn lượng tử. Họ đã thành công trong việc phân tích ngoại cảnh bằng cách sử dụng các thành phần không-thời gian quen thuộc. Nhưng chỉ với một công thức được điều chỉnh một chút (công thức entropy năm 2014), họ đã phát hiện ra rằng thông tin thoát ra khỏi phần bên trong. Các tính toán khiến họ cảm thấy tự tin rằng không cần phải từ bỏ quan điểm bán cổ điển về phần bên trong lỗ đen. Tường lửa ngày càng giống như một bước đi quá xa.

Engelhardt nói: “Nếu chúng ta loại bỏ phần mô tả bên trong, chúng ta sẽ ném đứa trẻ đi cùng với nước tắm. “Có một cách sử dụng lực hấp dẫn bán cổ điển để thực hiện một phép tính đúng.”

Engelhardt, một chuyên gia về entropy hấp dẫn, có một số mảnh ghép, và dường như Harlow có thêm một vài mảnh nữa. Văn phòng của Engelhardt tại MIT có chung bức tường với văn phòng của Harlow, vì vậy việc họ hợp lực là điều đương nhiên. Cũng trong khoảng thời gian đó, Akers chuyển đến MIT để trở thành postdoc của họ, và ba người họ bắt đầu chọn đi vào vấn đề.

Cách phá vỡ không-thời gian trên máy tính lượng tử

Khi đại dịch buộc cả thế giới phải vào bên trong vào đầu năm 2020, bộ ba học giả đã chuyển các thí nghiệm tưởng chừng lỗ đen của họ từ bảng đen của MIT sang môi trường kỹ thuật số của Zoom.

Mục tiêu của họ là tập hợp tất cả các chủ đề và phát triển một thứ gì đó thuộc quy trình chuyển đổi để biến phối cảnh bên trong bán cổ điển thành phối cảnh bên ngoài cơ học lượng tử. Một lý thuyết như vậy sẽ được sử dụng cho một phi hành gia ngay bên trong lỗ đen. Cô ấy có thể chụp nhanh khung cảnh xung quanh mình, chạy nó qua quy trình và lấy lại một bức ảnh cho cô ấy biết những gì một đồng nghiệp bên ngoài đang nhìn thấy. Trong khi hai bức ảnh dường như ghi lại các sự kiện khác nhau, Rashomon theo phong cách, việc chuyển đổi sẽ tiết lộ các cảnh tương thích một cách bí mật. Đó sẽ là một sự hồi sinh phức tạp hơn đối với tầm nhìn về sự bổ sung của Susskind.

Akers đã tự thuyết phục mình rằng chương trình chuyển đổi nên được viết bằng ngôn ngữ sửa lỗi lượng tử, vì Harlow đã nghiên cứu về không gian trống. Bên trong bán cổ điển sẽ là thông điệp và bên ngoài lượng tử sẽ là sự truyền tải. Và cho rằng phần bên trong dường như phát triển bên trong một chân trời bị thu hẹp lại, họ sẽ phải phát minh ra một mã sửa lỗi có thể nhét một SOS vào một chữ S duy nhất.

Akers phải đối mặt với sự hoài nghi từ các đồng nghiệp của mình. Cách mã hóa sẽ phải xóa thông tin bên trong lỗ đen đã vi phạm quy định cấm cơ học lượng tử chống mất thông tin. Nếu phi hành gia bên trong đốt nhật ký sứ mệnh của cô ấy, cô ấy có thể không tái tạo được một bản sao từ đống tro tàn.

“Nếu bạn đang sửa đổi cơ học lượng tử, mọi người sẽ nghĩ bạn điên, và thường thì họ sẽ đúng,” Harlow nói. “Tôi đã do dự.”

Cuối năm đó, một sinh viên tốt nghiệp MIT (hiện tại Stanford) tên là Shreya Vardhan đã tham gia nhóm. Cô ấy đã thực hiện một số tính toán cụ thể về entropy và cuối cùng đã thuyết phục được mọi người rằng phá vỡ nhẹ cơ học lượng tử bên trong là cách duy nhất để cứu nó hoàn toàn bên ngoài.

“Shreya và Chris nói riêng đã thúc đẩy điều đó theo những cách khác nhau,” Harlow nói. “Shreya đã phá vỡ rào cản cuối cùng đối với tôi và tôi nhận ra rằng điều này thực sự có ý nghĩa.”

Akers đã làm việc với Penington nên anh ấy cũng tham gia. Nỗ lực này mất vài năm làm việc liên tục. Và ngay khi ngồi viết kết quả, 19/XNUMX thành viên của đội đồng loạt gục ngã vì Covid-XNUMX. Nhưng vào tháng XNUMX năm ngoái, cuối cùng họ đã đăng một bản in trước trình bày chi tiết lý thuyết của họ về cách bên trong lỗ đen có thể được mã hóa ở bên ngoài bằng mã sửa lỗi kỳ lạ nhất thế giới.

Đây là cách nó hoạt động. Một phi hành gia hy sinh bản thân bên trong lỗ đen ghi lại cấu hình của tất cả các photon, electron và các hạt khác xung quanh cô ấy và lỗ đen — một tệp dữ liệu lượng tử được tạo thành từ một loạt qubit ghi lại trải nghiệm bán cổ điển của cô ấy. Mục tiêu của cô ấy là hiểu được quan điểm lượng tử của đối tác bên ngoài của cô ấy tại thời điểm đó. Nhóm đã phát triển một thuật toán hai bước mà người ta có thể tưởng tượng là chạy trên máy tính lượng tử để chuyển đổi ảnh chụp nhanh bên trong đó.

Đầu tiên, chương trình xáo trộn các qubit bán cổ điển gần như không thể nhận ra bằng cách sử dụng một trong những phép biến đổi ngẫu nhiên nhất trong toán học.

Sau đó đến nước sốt bí mật. Bước thứ hai liên quan đến hậu lựa chọn, một hoạt động kỳ lạ thường được các nhà lý thuyết thông tin sử dụng hơn là các nhà vật lý. Postselection cho phép người thử nghiệm thực hiện một quy trình ngẫu nhiên để đạt được kết quả mong muốn. Giả sử bạn muốn tung một đồng xu và nhận được 10 mặt ngửa liên tiếp. Bạn có thể làm được, miễn là bạn có đủ kiên nhẫn để bắt đầu lại mỗi khi nó xuất hiện. Tương tự, chương trình mã hóa bắt đầu đo các qubit bán cổ điển nhưng khởi động lại mỗi khi nó đạt 1. Cuối cùng, khi nó đã đo hầu hết các qubit được xáo trộn và nhận được thành công một chuỗi số XNUMX, nó sẽ ném các qubit đó đi. Một số qubit còn lại, không đo được đại diện cho các pixel của hình ảnh lượng tử của lỗ đen khi nhìn từ bên ngoài. Do đó, mã nén một tệp RAW bán cổ điển lớn thành một JPEG lượng tử nhỏ gọn.

Hartman của Cornell cho biết: “Đó là một cách mất công để nén nhiều thông tin bán cổ điển vào một không gian lượng tử hữu hạn.

Nhưng có một nhược điểm lớn. Làm thế nào một chương trình như vậy có thể xóa nhiều thông tin bán cổ điển như vậy mà không xóa bất kỳ chi tiết thiết yếu nào? Quy trình ngụ ý rằng vật lý bán cổ điển chứa đầy lông tơ — cấu hình của các hạt mà nhà du hành vũ trụ bên trong có thể quan sát thấy không thực sự có thật. Nhưng vật lý bán cổ điển đã được thử nghiệm nghiêm ngặt trong các máy va chạm hạt trên Trái đất và các nhà thí nghiệm không thấy dấu hiệu nào của những ảo ảnh như vậy.

“Có bao nhiêu trạng thái được mã hóa đáng tin cậy? Và lý thuyết bán cổ điển có thể làm tốt như thế nào?” Hartmann nói. “Cho rằng nó phải bị mất mát, không rõ ràng là nó có thể làm bất cứ điều gì.”

Để giải thích làm thế nào mà một lý thuyết thiếu sót lại có thể hoạt động tốt như vậy, nhóm đã chuyển sang quan sát kỳ lạ mà Hayden và Harlow đã thực hiện vào năm 2013, rằng việc giải mã bức xạ cho thí nghiệm AMPS sẽ mất nhiều bước đến mức không thể thực hiện được. Có lẽ sự phức tạp có thể lấp đầy các vết nứt trong vật lý bán cổ điển. Quá trình mã hóa không xóa các cấu hình tùy ý. Nó chỉ xóa một số sắp xếp nhất định của các hạt phức tạp theo nghĩa là chúng sẽ mất nhiều thời gian để phi hành gia bên trong không bao giờ có thể mong đợi chứng kiến ​​chúng.

Làm cho trường hợp mã để lại các trạng thái đơn giản về cơ bản không được xử lý đã tạo nên phần lớn công việc. Nhóm lập luận rằng đối với bất kỳ phiên bản nào của quy trình hai bước của họ, việc tạo ra một cấu hình bán cổ điển phức tạp không có đối tác từ góc nhìn bên ngoài về cơ bản sẽ mất một thời gian vĩnh cửu — khoảng gấp 10,000 lần tuổi hiện tại của vũ trụ chỉ đối với một hạ nguyên tử 50 qubit. một đốm đen. Và đối với một lỗ đen thực sự, chẳng hạn như M87 với 10⁷⁰-qubit lẻ, một thí nghiệm phá vỡ vật lý bán cổ điển sẽ mất nhiều thời gian hơn thế theo cấp số nhân.

Nhóm nghiên cứu đề xuất rằng các lỗ đen làm nổi bật một sự cố mới trong khuôn khổ vật lý đã được thiết lập. Giống như Einstein đã từng dự đoán rằng khái niệm về khoảng cách cứng nhắc của Newton sẽ thất bại ở tốc độ đủ cao, họ dự đoán rằng vật lý bán cổ điển thất bại đối với các thí nghiệm cực kỳ phức tạp liên quan đến số lượng bước không thể tưởng tượng được và khoảng thời gian không thể hiểu được.

Nhóm tin rằng tường lửa sẽ là biểu hiện của sự phức tạp không thể tưởng tượng được như vậy. Một lỗ đen thực sự giống như lỗ đen trong M87 chỉ mới tồn tại hàng tỷ năm — gần như không đủ lâu để phần bên trong bán cổ điển có thể phá vỡ bức tường lửa. Nhưng nếu một người có thể thực hiện những thí nghiệm phức tạp đến khó tin, hoặc nếu một lỗ đen tồn tại trong một thời gian cực kỳ dài, thì tất cả các cuộc cá cược bán cổ điển sẽ bị hủy bỏ.

“Có một biên giới phức tạp,” Harlow nói. “Khi bạn bắt đầu làm những việc theo cấp số nhân, thì [vật lý] thực sự bắt đầu trở nên khác biệt.”

Được cứu bởi Lời nguyền của sự phức tạp

Sau khi các nhà vật lý tự thuyết phục rằng sự mất mát của mã sẽ không dẫn đến những vết nứt đáng chú ý trong vật lý bán cổ điển bên trong lỗ đen, nhóm đã điều tra các hậu quả. Họ phát hiện ra rằng lỗi rõ ràng hóa ra lại là tính năng cuối cùng.

“Nó có vẻ tệ. Có vẻ như bạn sẽ mất thông tin vì bạn đang xóa rất nhiều tiểu bang,” Akers nói. Nhưng “hóa ra đó là tất cả những gì bạn từng muốn.”

Đặc biệt, nó vượt xa công việc năm 2019 trong việc giải quyết cách thông tin thoát ra khỏi lỗ đen. Hay đúng hơn, nó gợi ý rằng ban đầu các qubit không nằm chính xác bên trong.

Bí mật nằm ở bước thứ hai thú vị của quá trình chuyển đổi, hậu tuyển chọn. Postselection liên quan đến các thành phần toán học giống nhau, cụ thể là phép đo các đối tác vướng víu, như một quy trình lượng tử trong sách giáo khoa dịch chuyển thông tin từ vị trí này sang vị trí khác. Vì vậy, mặc dù quá trình chuyển đổi không phải là một sự kiện vật lý diễn ra đúng lúc, nhưng nó giải thích cách thông tin xuất hiện để chuyển từ bên trong ra bên ngoài.

Về cơ bản, nếu phi hành gia bên trong chuyển đổi ảnh chụp nhanh được chụp vào cuối cuộc đời của lỗ đen, cô ấy sẽ biết rằng thông tin dường như nằm trong các hạt xung quanh cô ấy — hoặc thậm chí trong cơ thể cô ấy — là từ góc nhìn bên ngoài thực sự trôi nổi trong Hawking bức xạ bên ngoài. Thời gian trôi qua, quá trình chuyển đổi sẽ tiết lộ ngày càng nhiều về thế giới của cô ấy là không có thật. Khoảnh khắc trước khi hố đen biến mất, bất chấp ấn tượng ngược lại của nhà du hành vũ trụ, thông tin của cô ấy hầu như tồn tại hoàn toàn ở bên ngoài, bị xáo trộn trong bức xạ. Bằng cách truy tìm quá trình này, từng ảnh chụp nhanh, nhóm đã có thể rút ra công thức entropy của Engelhardt đã tìm thấy thông tin trong bức xạ vào năm 2019. Nó cũng là sản phẩm phụ của sự mất mát của quá trình chuyển đổi.

Nói tóm lại, việc chuyển đổi giải thích làm thế nào một phi hành gia có thể vô tình trải nghiệm nội thất ngày càng tách rời khỏi thực tế bên ngoài khi nó trưởng thành. Họ cho rằng sai lầm của Hawking là đặt mình hoàn toàn vào vị trí của nhà du hành vũ trụ bên trong và cho rằng vật lý bán cổ điển hoạt động hoàn hảo cả bên trong và bên ngoài lỗ đen.

Anh ấy đã không nhận ra, như Harlow và công ty hiện nay tin tưởng, rằng vật lý bán cổ điển không thể nắm bắt chính xác các hiện tượng và thí nghiệm đòi hỏi độ phức tạp theo cấp số nhân. Chẳng hạn, việc giải mã thông tin hỗn độn trong bức xạ sẽ mất một thời gian dài theo cấp số nhân, đó là lý do tại sao phân tích bán cổ điển của ông dự đoán sai bức xạ là không có gì đặc biệt. Các tính năng ở đó; nó sẽ chỉ mất nhiều, nhiều lần tuổi của vũ trụ để khám phá ra chúng.

Ngoài ra, có một lý do giải thích tại sao khả năng thông tin của phần bên trong dường như tăng lên trong khi kích thước bề mặt của lỗ đen co lại: Phép tính bán cổ điển đã nhầm lẫn bao gồm một số lượng lớn các trạng thái phức tạp không có các đối lượng lượng tử bên ngoài. Nếu các nhà vật lý tính đến những cách thức mà sự phức tạp có thể gây rối với vật lý bán cổ điển, thì sự xung đột giữa bức tranh không-thời gian bên trong và bức tranh lượng tử bên ngoài sẽ biến mất.

Harlow nói: “Bây giờ chúng ta thấy một cách nhất quán để vượt qua nghịch lý.

Hố đen Nhầm lẫn

Tuy nhiên, đối với tất cả sự tự tin của Harlow, những người khác trong cộng đồng lỗ đen có rất nhiều câu hỏi.

Hạn chế chính là các lý thuyết mà mã kết nối là cực kỳ đơn giản. Mô tả cơ học lượng tử có một tập hợp các qubit phát ra thông tin. Mô tả bán cổ điển có phần bên trong được tách biệt khỏi phần bên ngoài bởi một chân trời sự kiện. Và thế là xong. Không có lực hấp dẫn, và không có cảm giác về không-thời gian. Đoạn mã này có các đặc điểm cốt lõi của nghịch lý, nhưng nó thiếu nhiều chi tiết cần thiết để chứng minh rằng các lỗ đen thực sự hoạt động theo kiểu này.

Maloney nói: “Hy vọng như mọi khi là bạn có một mô hình đồ chơi mà bạn đã trích xuất tất cả các yếu tố vật lý quan trọng và loại bỏ tất cả các yếu tố vật lý không quan trọng. “Có khá nhiều lý do chính đáng để tin rằng điều đó đúng ở đây, tuy nhiên, điều quan trọng là phải thận trọng.”

Có rất nhiều giải pháp thay thế tồn tại và lực hấp dẫn thực vẫn có thể giải quyết nghịch lý theo một trong những cách đó. Ví dụ, Mathur của Bang Ohio dẫn đầu một chương trình nghiên cứu về một lựa chọn như vậy. Trong khi phân tích điều gì sẽ xảy ra với một ngôi sao đang sụp đổ trong lý thuyết dây, ông và các cộng sự của mình phát hiện ra rằng các dây có thể ngăn chặn sự sụp đổ. Chúng tạo thành một khối quằn quại, một “quả cầu lông,” mà sự uốn éo phức tạp của nó sẽ ngăn một chân trời sự kiện — và một nghịch lý — hình thành. Mathur đưa ra nhiều phản đối khác nhau đối với giải pháp mới và thường tin rằng mã mất dữ liệu là một đề xuất quá phức tạp. Ông nói: “Nghịch lý thông tin đã được giải quyết từ lâu. (Bằng những quả cầu lông tơ.)

Trong khi đó Marolf, người đã làm việc với Engelhardt để phát hiện thông tin về bức xạ vào năm 2019, nghi ngờ rằng giải pháp của họ có thể quá bảo thủ. “Mối quan tâm của tôi là nó gần như quá dễ dàng,” anh nói.

Anh ta nghẹn ngào về sự mất mát, điều đó có nghĩa là mã ở dạng hiện tại chỉ đưa ra câu trả lời duy nhất cho phi hành gia bên trong. Nếu một phi hành gia bên ngoài chụp một bức ảnh và muốn biết nó nói gì về bên trong, anh ta sẽ phải đoán các pixel bán cổ điển mà mã xóa. Mặc dù những trạng thái đó theo một nghĩa nào đó là ảo tưởng, nhưng chúng rất cần thiết để hiểu được trải nghiệm bên trong của con người. Đối với một số phỏng đoán, anh ta có thể tìm thấy một nội thất bình tĩnh. Ở những người khác, một tường lửa hoành hành. Cho dù lý thuyết lượng tử bên ngoài có tinh vi đến đâu, nó sẽ không bao giờ có thể nói chắc chắn những gì anh ta sẽ tìm thấy nếu anh ta nhảy vào.

“Nó làm tôi băn khoăn một chút,” Marolf nói. “Tôi đã từng nghĩ rằng một lý thuyết cơ bản sẽ dự đoán được mọi thứ — bao gồm cả những gì chúng ta trải nghiệm như thực tế.”

Mất mát ngày càng tăng

Kể từ đó, một số người hoài nghi về đề xuất ban đầu đã nảy ra ý tưởng này, bao gồm Isaac Kim, nhà khoa học máy tính tại Đại học California, Davis và John Preskill, nhà vật lý lượng tử tại Viện Công nghệ California và là một trong những ngôi sao sáng tham dự tại cuộc thách tường lửa năm 2013.

“Chúng tôi nghe đồn rằng công việc này đang đến,” Kim nói. “Nghe có vẻ như có gì đó không ổn.”

Kim cảm thấy lo lắng khi sử dụng hậu lựa chọn. Các ứng dụng trước đây của hậu lựa chọn đã bao gồm các bản thiết kế cho cỗ máy thời gian và máy tính lượng tử mạnh mẽ một cách phi lý, vì vậy sự xuất hiện của nó được coi là một lá cờ đỏ. Anh ấy nghi ngờ rằng các chi tiết bị thiếu trong mã ban đầu, chẳng hạn như cách nó hoạt động đối với một phi hành gia đo bức xạ bên ngoài và sau đó rơi vào bên trong, có thể kết hợp với quá trình lựa chọn sau để làm xáo trộn cả phối cảnh bên ngoài và xóa thông tin ở đó.

Sau đó vào tháng XNUMX, Kim và Preskill nâng cấp mã và thấy rằng lỗ đen tiếp tục bức xạ thông tin trong hình ảnh bên ngoài một cách an toàn. Họ cũng phát hiện ra rằng hậu lựa chọn không đóng vai trò là kẽ hở để lỗ đen thực hiện các phép tính mạnh mẽ phi lý — hoặc phóng các phi hành gia trở lại tương lai.

Ông nói: “Đáng chú ý là trong mô hình này, mặc dù bạn cho phép lựa chọn sau, nhưng điều đó không xảy ra. “Đó là điều đã thuyết phục tôi rằng có điều gì đó đúng đắn đang diễn ra ở đây.”

DeWolfe và cộng tác viên Kenneth Higginbotham tiếp tục tổng quát hóa mã lossy vào tháng Tư. Họ cũng kết luận rằng nó có thể chịu được các phi hành gia rơi xuống.

Các nhà nghiên cứu khác đã dành vài tháng qua để kiểm tra xem các lý thuyết hấp dẫn yêu thích của họ có che giấu sự mất mát hay không. Vào tháng XNUMX, Arjun Kar của Đại học British Columbia đã chuyển mã mất dữ liệu của Harlow và đồng nghiệp vào một lý thuyết nổi tiếng về lực hấp dẫn 2D và thấy rằng nó đúng. “Có vẻ như họ thực sự đã tìm ra một điều gì đó thú vị về sửa lỗi lượng tử,” anh ấy nói.

Tiếp tục đi theo con đường này - tìm kiếm sự mất mát trong nhiều lý thuyết hấp dẫn hơn - là cách chính mà các nhà vật lý hy vọng sẽ xây dựng hoặc phá hủy niềm tin rằng lực hấp dẫn thực sự hoạt động như thế này. Ít ai mơ ước được dò mật mã bằng một thí nghiệm.

“Không rõ chúng ta sẽ kiểm tra tài khoản này như thế nào,” Aaronson nói, “ngoại trừ việc cố gắng xây dựng thêm một lý thuyết hấp dẫn lượng tử trên nó và xem liệu lý thuyết đó có thành công hay không.”

Harlow, tuy nhiên, là một người mơ mộng. “Tôi không nghĩ là không thể. Nó chỉ khó thôi,” anh ấy nói, đưa ra thí nghiệm tưởng tượng sau đây.

Bạn đặt một lỗ đen nhỏ xíu trong một chiếc hộp và thu giữ mọi photon của bức xạ Hawking phát ra từ nó, lưu trữ tất cả thông tin đó trong một máy tính lượng tử. Bởi vì thông tin đó dường như tồn tại bên trong lỗ đen từ quan điểm của một hạt bên trong, nên việc điều khiển bức xạ có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến hạt đó — một hành động thực sự ở một khoảng cách đủ ma quái để ám ảnh bất kỳ nhà vật lý nào. Harlow nói: “Tôi không thể làm bất cứ điều gì với bức xạ làm thay đổi bất cứ thứ gì bên trong. “Đó là sự cố xảy ra vì bạn đã vượt qua ranh giới phức tạp.”

Nhưng ngay cả để tưởng tượng về một thí nghiệm như vậy, Harlow phải chuyển sang một vũ trụ vĩnh cửu để có đủ thời gian, vì hoạt động trong vũ trụ đang mở rộng của chúng ta sẽ giảm đi hàng nghìn tỷ lần trước khi người ta có thể hy vọng điều khiển được bức xạ dù là nhỏ nhất. lỗ đen. (Thêm vào đó, Susskind và những người khác đang làm việc trên một góc liên quan của câu đố lỗ đen gần đây đã tìm thấy những ý tưởng chồng chéo liên quan đến sự phức tạp và khoảng thời gian dài không thể hiểu nổi.)

Tuy nhiên, Harlow không nản lòng trước những chi tiết nhỏ như cái chết vì nhiệt của vũ trụ. Ông tin rằng nếu những thí nghiệm bất khả thi liên quan đến đoàn tàu di chuyển với tốc độ gần như ánh sáng là đủ tốt đối với Einstein, thì ông tin rằng chúng cũng đủ tốt đối với ông.

“Chúng tôi vẫn chưa có tàu hỏa, nhưng [thuyết tương đối] có những hệ quả đối với nhiều thứ khác mà chúng tôi đã thử nghiệm,” ông nói.

Harlow là người mới nhất trong danh sách dài các nhà vật lý hố đen có mối quan hệ với bằng chứng vật lý mà những người quan sát bình thường có thể thấy ngạc nhiên. Xét cho cùng, chưa ai từng nhìn thấy một photon của bức xạ Hawking, và sẽ không bao giờ có ai nhìn thấy. Nó quá yếu, ngay cả khi bạn đặt Kính viễn vọng Không gian James Webb trên quỹ đạo quanh một lỗ đen thực sự.

Nhưng điều đó đã không ngăn được nhiều thế hệ nhà vật lý, từ Stephen Hawking và Leonard Susskind đến Netta Engelhardt, Chris Akers và hàng chục người khác, tranh luận sôi nổi về cách xử lý hàng loạt mâu thuẫn phát sinh từ hố đen cùng với bồn tắm lý thuyết. của photon.

Ngay cả khi họ xây dựng và củng cố các trường hợp của mình, họ thừa nhận rằng cách duy nhất có thể kết luận để xem liệu các lỗ đen đại diện cho nhà tù vũ trụ cuối cùng hay bản án tử hình rực lửa là bắt tay vào thí nghiệm tưởng tượng ban đầu không thể tưởng tượng được.

Penington nói: “Nếu có hai người không quan tâm đến điều gì khác hơn là giải quyết bất đồng của họ, thì tất cả những gì họ có thể làm là nhảy vào cuộc. “Hoặc là cả hai đều bốc hơi ngay lập tức và dù sao thì họ cũng không bao giờ giải quyết được, hoặc họ vào được bên trong và một trong số họ nói, 'Ồ, công bằng mà nói, tôi đã nhầm.'”

Ghi chú của biên tập viên: Một số nhà khoa học được giới thiệu trong bài báo này, bao gồm Daniel Harlow và Chris Akers, đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, quỹ cũng tài trợ cho tạp chí độc lập về mặt biên tập này. Các quyết định tài trợ của Quỹ Simons không ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi. Thêm chi tiết là sẵn đây.