I buchi neri sono mostri gravitazionali, che spremono gas e polvere fino a un punto microscopico come grandi compattatori di rifiuti cosmici. La fisica moderna impone che, dopo essere state consumate, le informazioni su questa materia dovrebbero essere perse per sempre nell'universo. Ma un nuovo esperimento suggerisce che potrebbe esserci un modo per usare la meccanica quantistica per ottenere alcune informazioni all'interno di un buco nero.
"Nella fisica quantistica, le informazioni non possono assolutamente essere perse", ha detto a Live Science Kevin Landsman, uno studente laureato in fisica presso il Joint Quantum Institute (JQI) dell'Università del Maryland a College Park. "Invece, le informazioni possono essere nascoste o confuse" tra particelle subatomiche, indissolubilmente legate.
Landsman e i suoi coautori hanno dimostrato di poter misurare quando e con che rapidità le informazioni sono state inserite all'interno di un modello semplificato di un buco nero, fornendo una potenziale sbirciatina in entità altrimenti impenetrabili. Le scoperte, che appaiono oggi (6 marzo) sulla rivista Nature, potrebbero anche aiutare nello sviluppo di computer quantistici.
I buchi neri sono oggetti infinitamente densi e infinitamente piccoli formati dal crollo di una stella morta gigante che è diventata supernova. A causa della loro enorme attrazione gravitazionale, succhiano il materiale circostante, che scompare dietro quello che è noto come il loro orizzonte degli eventi - il punto in cui nulla, compresa la luce, può sfuggire.
Negli anni '70, il famoso fisico teorico Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri possono ridursi nel corso della loro vita. Secondo le leggi della meccanica quantistica - le regole che dettano il comportamento delle particelle subatomiche su scale minuscole - coppie di particelle emergono spontaneamente appena fuori dall'orizzonte degli eventi di un buco nero. Una di queste particelle cade quindi nel buco nero mentre l'altra viene spinta verso l'esterno, rubando un minuscolo fumo di energia nel processo. In tempi estremamente lunghi, viene rubata abbastanza energia da far evaporare il buco nero, un processo noto come radiazione di Hawking, come precedentemente riportato da Live Science.
Ma c'è un enigma nascosto nel cuore infinitamente denso del buco nero. La meccanica quantistica afferma che le informazioni su una particella - la sua massa, quantità di moto, temperatura e così via - non possono mai essere distrutte. Le regole della relatività affermano simultaneamente che una particella che ha ingrandito l'orizzonte degli eventi di un buco nero si è unita alla schiacciata infinitamente densa al centro del buco nero, il che significa che nessuna informazione al riguardo può mai essere recuperata di nuovo. I tentativi di risolvere questi requisiti fisici incompatibili finora non hanno avuto successo; i teorici che hanno lavorato al problema definiscono il dilemma il paradosso delle informazioni sul buco nero.
Nel loro nuovo esperimento, Landsman e i suoi colleghi hanno mostrato come ottenere un po 'di sollievo per questo problema usando la particella che vola verso l'esterno in una coppia di radiazioni Hawking. Poiché è impigliato con il suo partner in caduta libera, il che significa che il suo stato è indissolubilmente legato a quello del suo partner, la misurazione delle proprietà di uno può fornire dettagli importanti sull'altro.
"Uno può recuperare le informazioni cadute nel buco nero facendo un massiccio calcolo quantico su queste in uscita", ha detto Norman Yao, un fisico dell'Università della California, Berkeley e membro del team, in una nota.
Le particelle all'interno di un buco nero hanno avuto tutte le loro informazioni quantomeccanicamente "confuse". Cioè, le loro informazioni sono state caoticamente mescolate insieme in un modo che dovrebbe rendere impossibile mai districarsi. Ma una particella impigliata che si confonde in questo sistema potrebbe potenzialmente trasmettere informazioni al suo partner.
Fare questo per un buco nero nel mondo reale è irrimediabilmente complicato (e inoltre, nei laboratori di fisica è difficile trovare buchi neri). Quindi il gruppo ha creato un computer quantistico che ha eseguito calcoli utilizzando bit quantici o qubit intrecciati, l'unità di base delle informazioni utilizzate nel calcolo quantistico. Hanno quindi creato un modello semplice usando tre nuclei atomici dell'elemento Ytterbium, che erano tutti intrecciati tra loro.
Usando un altro qubit esterno, i fisici sono stati in grado di dire quando le particelle nel sistema a tre particelle si sono mescolate e sono riuscite a misurare quanto sono diventate confuse. Ancora più importante, i loro calcoli hanno mostrato che le particelle erano specificamente mescolate tra loro piuttosto che con altre particelle nell'ambiente, Raphael Bousso, un fisico teorico della Berkeley della UC che non era coinvolto nel lavoro, ha detto a Live Science.
"È un risultato meraviglioso", ha aggiunto. "Si scopre che distinguere quale di queste cose sta realmente accadendo al tuo sistema quantistico è un problema molto difficile."
I risultati mostrano come gli studi sui buchi neri stiano conducendo a esperimenti in grado di sondare piccole sottigliezze nella meccanica quantistica, ha detto Bousso, che potrebbero essere utili nello sviluppo di futuri meccanismi di calcolo quantistico.
