Strona głównaPytania → Splątanie kwantowe i czarne dziury

Splątanie kwantowe i czarne dziury

Pytanie

Pyta Oliwier

Mam pytanie dotyczące mechaniki kwantowej i teorii stanu splątanego. Mechanika kwantowa przewiduje nieskończenie szybką propagację informacji dotyczącej stanu jednej ze splątanych cząstek do drugiej. Można by to ująć: „tak, jakby przestrzeń między nimi nie istniała”. Oznacza to nawet, że jeśli splątane cząstki będą oddalone o miliardy lat świetnych, ich wzajemne splątanie nie zanika. Co jeśli jedna z takich splątanych cząstek wpadnie do czarnej dziury? Każde ciało fizyczne znajdujące się w promieniu Schwarzschilda od czarnej dziury nie może się z niego już wydostać, ponieważ nie istnieje żadna linia geodezyjna, która prowadzi na zewnątrz. Zatem czy splątanie zachodzi między dwiema cząstkami nawet wtedy, gdy nie łączy je żadna linia geodezyjna?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Wygodniej jest odpowiedzieć na to pytanie rozważając przypadek bez czarnej dziury, ale obejmujący sytuację, gdy początkowo splątane cząstki tracą możliwość jakiejkolwiek komunikacji w przyszłości na skutek dużej odległości między nimi i szybkiego rozszerzania się Wszechświata. Jest to równoważne stwierdzeniu, że żadna z czasowych linii geodezyjnych wyprowadzona od jednej z cząstek nie dotrze w przyszłości do drugiej. Takie cząstki pozostaną splątane, ale ich funkcje falowe nigdy w przyszłości nie będą mogły interferować. W przypadku braku interferencji prawdopodobieństwa kwantowe możemy traktować jak klasyczne. Sytuację klasyczną dobrze opisuje przykład dwóch osób znajdujących się daleko od siebie i otrzymujących paczki. W jednej paczce jest kulka czerwona, a w drugiej zielona. Adresaci wiedzą o tym, ale nie wiedzą którą paczkę otrzymali. Jeśli jeden otworzy i zobaczy kulkę zieloną, to będzie wiedział, że drugi na pewno znajdzie czerwoną. Czy to nazwalibyśmy „nieskończenie szybką propagacją informacji”? Tak czy inaczej, kwantowego splątania tutaj nie ma.

W przypadku czarnej dziury pytanie jest nieco bardziej skomplikowane, gdyż zaczyna dawać o sobie znać wielokrotnie dyskutowany problem utraty informacji w czarnych dziurach, który nie ma dotąd powszechnie uznanego rozwiązania. Każda cząstka wpadająca do czarnej dziury bardzo szybko dostaje się jej centrum, a tam nasze obecne teorie tracą zdolność przewidywania. Możemy jedynie rozważać różne hipotezy. Dla prostoty ograniczmy się do przypadku czarnej dziury powstałej na skutek grawitacyjnego zapadania się dużej wygasłej gwiazdy. Z punktu widzenia materii będącej w środku tej gwiazdy mamy do czynienia ze zjawiskiem bardzo podobnym do ostatnich chwil życia Wszechświata wypełnionego materią o gęstości przekraczającej gęstość krytyczną. Nie wiemy czy nastąpi „wielkie zgniecenie” („big crunch”) czy „wielkie odbicie” („big bounce”). W przypadku gwiazdowej czarnej dziury odbicie oznaczałoby powstanie nowej części Wszechświata, z której żadna informacja nie mogłaby być do naszej części przesłana. Gdyby taka hipoteza była słuszna, to cząstka splątana wpadająca do czarnej dziury przekazywałaby informację o swoim splątaniu do nowej części Wszechświata. Ta informacja mogłaby się okazać istotna, gdyby druga cząstka podążyła za nią i również wpadła do tej samej czarnej dziury, co umożliwiłoby interferencję prawdopodobieństw. Jeśli jednak tylko jedna z cząstek wpada do czarnej dziury, to interferencji nie może być, i możemy stosować prawdopodobieństwa klasyczne.

(Dalsze wyjaśnienie dotyczące powyższego przykładu (z paczkami) znaleźć można tutaj.)