Progra­moz­zunk fekete lyukat

Egy tanulmány felveti a lehetőségét, hogy egy nap a fekete lyukakat, mint elképesztően pontos kvantum számítógépeket használjuk, csupán néhány akadályon kell túl jutnunk.

Seth Lloyd elméleti fizikus, az MIT munkatársa szerint majdnem minden információ, amit egy fekete lyuk elnyel vissza is kapható. A kutató tanulmányában felveti a lehetőséget, mely szerint egy nap ezeket a galaktikus szörnyeket mint elképesztően pontos kvantum számítógépeket használjuk, előtte azonban még túl kell jutnunk néhány, enyhén szólva is komoly elméleti és gyakorlati akadályon. Amióta Stephen Hawking a kvantumelmélet alkalmazásával bebizonyította, hogy a fekete lyukak sugároznak, a fizikusokat azóta foglalkoztatja, vajon ez a sugárzás tartalmaz-e valamilyen információt a fekete lyukat létrehozó anyagról. A kérdés rengeteg találgatást és vitát szült. Az úgynevezett fekete lyuk "információs paradoxon" immár több mint 30 éve áll fenn.

A klasszikus fizika szerint a fekete lyukak az űr azon területei, ahol a gravitáció olyan erős, hogy semmi, még a fény sem menekülhet a lyukat körülvevő eseményhorizontról. Mindazonáltal Hawking bebizonyította, hogy a fekete lyukaknak valójában van hőmérsékletük, azaz hősugárzást bocsátanak ki, amit azóta már Hawking-sugárzásnak hívnak. Ez egyfajta párolgás, ami idővel a fekete lyuk felszívódásához vezet.

Hawking eleinte úgy vélte, hogy ez a sugárzás nem tartalmaz semmilyen információt, azaz bármi információ, amit a fény vagy az anyag szállít, a fekete lyukba érve örökre odavész, még akkor is, ha ezzel megsérti a kvantum mechanikát. 2004-ben azonban a tudós nagy csinnadrattával beismerte hogy tévedett, és úgy nyilatkozott, hogy az információ mégis megszökhet a fekete lyukból. Ez persze csak egy nézet - attól hogy Hawking megváltoztatta véleményét, mások nem feltétlenül követték.

De térjünk vissza végre szegény Lloydra, aki egy elég vitatott kvantum modell, a végállapot projekció modell alkalmazásával próbál felülkerekedni a paradoxonon. A modell szerint bizonyos szélsőséges körülmények között - mint amilyenek a fekete lyukak heves gravitációs mezői - az objektumok mindössze egyféle viselkedésre lesznek képesek, azaz egy fekete lyuk előidézheti azt az esetet, hogy egy pénzérme feldobásánál mindig a "fej" lesz az eredmény.

Ez teszi lehetővé a fekete lyukból kiszökő információ számára, hogy értelmezését tekintve ne lehessen kétértelmű. Az információ szökése egy kvantum folyamat, a keveredés során zajlik le. A fenti elképzelést először 2004-ben terjesztette elő egy amerikai fizikus, azonban elméletét rögtön meg is támadták, mivel különböző interferenciák létrehozása mellett lehetővé tenné a fénysebességnél gyorsabb információszökést a fekete lyukból.

Mindenesetre Lloyd tovább futtatta az elméletet. A fekete lyukakban a Hawking-sugárzás az eseményhorizonton belül keletkezik, és két komponensre bontható. Az egyik elhagyja a fekete lyukat, a másik pedig visszazuhan a pontszerű szingularitásba, ami maga a fekete lyuk. Ezek az összetevők keverednek, tehát amikor anyag áramlik a fekete lyukba, akkor a szingularitásnál kölcsönhatásba lép a Hawking-sugárzással, ami azonnali változást idéz elő a kiszökő sugárzásban. A végállapot projekció modell miatt ez a kölcsönhatás csak egyféleképpen viselkedhet, ezért a fenti sugárzás a fekete lyukba bekerült adat információját hordozza.

Lloyd számításai szerint a kijövő Hawking-sugárzás szinte minden információt tartalmaz a fekete lyuk által bekebelezett anyagról - példaként vegyünk egy űrhajót -, mindössze egy kvantum bit fele veszik el az információ feldolgozásakor. Lloyd szerint az űrhajó utasai a fekete lyuk elpárolgásakor "néhány egyszerű óvintézkedés" betartásával kevesebb, mint egy atom eltéréssel szinte ugyanazzá alakulnak vissza, mint a belépéskor. Lloyd tanulmánya szerint a fekete lyukak kvantum számítógépként is alkalmazhatók, csak rá kellene jönni a programozásukra. Ennek elsajátítása elsősorban a kvantum gravitáció teljes ismeretén, valamint a végállapot projekció kísérleti igazolásán múlik majd, melyekkel még nem rendelkezünk. Ezek mellett jó lenne ismerni a különböző fekete lyukak tulajdonságait is, arról nem is szólva, hogy egy bejutó információ szétoszlik az addig elnyelt információ tengerében, így az újra összeszedése lehetetlennek tűnik. Tehát az űrhajó utasai hiába alakulnak újjá, elég szétszórtak lesznek.

Mindezt Lloyd is elismeri. Ahhoz, hogy a kiáramló Hawking-sugárzást dekódolhassuk, meg kell alkotni egy hibátlan kvantum gravitációs elméletet, ami mindeddig még nem sikerült. A gyakorlati nehézségeken túl azonban van egy jóval súlyosabb elméleti hibája is Lloyd munkájának, figyelmeztet Daniel Gottesman, a kanadai Perimeter Institute munkatársa. Azáltal hogy egy fél qubit információ elvész, információvesztésről van szó és ilyen szempontból gyakorlatilag teljesen mindegy, hogy csak egy parányi, vagy szinte az egész veszett oda. A standard kvantum mechanikában nincs információvesztés, így ha Lloydnak mégis igaza lenne, akkor ahhoz át kellene dolgozni az egész elvet. Azonban az elméleti fizikusoknak nincs igazán elképzelésük, mivel is válthatnák fel a kvantum mechanikát.