Quantum Nugget #24 — Η Πληροφορία Δεν Χάνεται Ποτέ;
Διατήρηση, διασπορά και το μυστήριο των μαύρων οπών
Όροι της ημέρας:
Κβαντική Πληροφορία — Μοναδιαία Εξέλιξη
Στην καθημερινή ζωή, η πληροφορία φαίνεται να χάνεται συνεχώς.
Ένα γράμμα καίγεται.
Ένα αρχείο διαγράφεται.
Μια ανάμνηση ξεθωριάζει.
Ένα άρωμα διασκορπίζεται στον αέρα.
Η Κβαντομηχανική, όμως, εισάγει μια βαθύτερη έννοια της πληροφορίας.
Δεν αναφέρεται στο νόημα ενός μηνύματος ή στις προσωπικές μας αναμνήσεις. Αναφέρεται σε ό,τι απαιτείται για την πλήρη περιγραφή της κβαντικής κατάστασης ενός φυσικού συστήματος.
Η μοναδιαία εξέλιξη
Στην καθιερωμένη Κβαντομηχανική, η κατάσταση ενός ιδανικά απομονωμένου συστήματος εξελίσσεται μοναδιαία.
Αυτό σημαίνει ότι η εξέλιξή του είναι, κατ’ αρχήν, αντιστρέψιμη: αν γνωρίζαμε με απόλυτη ακρίβεια την τελική κβαντική κατάσταση και όλους τους νόμους που μεσολάβησαν, θα μπορούσαμε μαθηματικά να ανακατασκευάσουμε την αρχική.
Η πληροφορία δεν σβήνεται από αυτή την εξέλιξη.
Μετασχηματίζεται.
Χαμένη ή διασκορπισμένη;
Φαντάσου μια σταγόνα μελάνι μέσα σε ένα ποτήρι νερό.
Έπειτα από λίγο, το μελάνι έχει διασκορπιστεί παντού. Η αρχική σταγόνα δεν είναι πλέον ορατή και θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να επανέλθει στην προηγούμενη μορφή της.
Τα μόριά της, όμως, δεν εξαφανίστηκαν. Η πληροφορία για την εξέλιξη έχει διασκορπιστεί σε αμέτρητες μικροσκοπικές θέσεις, κινήσεις και συσχετίσεις.
Κάτι ανάλογο μπορεί να συμβαίνει σε ένα πολύπλοκο κβαντικό σύστημα. Η πληροφορία γίνεται τόσο βαθιά κατανεμημένη στις συσχετίσεις μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντός του, ώστε είναι πρακτικά αδύνατο να ανακτηθεί.
Αυτό ονομάζεται συχνά διασπορά ή ανακάτεμα της πληροφορίας.
Το μέρος και το όλον
Ένα μικρό κβαντικό σύστημα δεν είναι συνήθως απομονωμένο. Αλληλεπιδρά με το περιβάλλον και εμπλέκεται μαζί του.
Αν εξετάσουμε μόνο το μικρό σύστημα, μέρος της πληροφορίας του φαίνεται να έχει χαθεί. Αν όμως μπορούσαμε να περιγράψουμε το σύστημα μαζί με ολόκληρο το περιβάλλον, η πληροφορία μπορεί να εξακολουθεί να βρίσκεται στις μεταξύ τους συσχετίσεις.
Εδώ βρίσκεται η κρίσιμη διάκριση:
Η πληροφορία μπορεί να χαθεί από την πρόσβασή μας χωρίς να έχει εξαφανιστεί από την πλήρη φυσική περιγραφή.
Η μέτρηση και η μη αναστρεψιμότητα
Όταν πραγματοποιούμε μια κβαντική μέτρηση, λαμβάνουμε ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα. Στην πράξη, δεν μπορούμε να ανακατασκευάσουμε από αυτό και μόνο ολόκληρη την προηγούμενη κβαντική κατάσταση.
Η αλληλεπίδραση με το όργανο και το περιβάλλον διασπείρει την πληροφορία σε τεράστιο αριθμό βαθμών ελευθερίας.
Το πώς ακριβώς πρέπει να κατανοούμε αυτή τη διαδικασία εξαρτάται εν μέρει από την ερμηνεία της Κβαντομηχανικής. Δεν επιτρέπεται, επομένως, να μετατρέψουμε το σύνθημα «η πληροφορία δεν χάνεται» σε απεριόριστο μεταφυσικό νόμο.
Οι μαύρες οπές και το παράδοξο της πληροφορίας
Οι μαύρες οπές δημιούργησαν μία από τις βαθύτερες συγκρούσεις της σύγχρονης θεωρητικής Φυσικής.
Σύμφωνα με τον Hawking, μια μαύρη οπή μπορεί να εκπέμπει θερμική ακτινοβολία και τελικά να εξατμιστεί. Αν η ακτινοβολία αυτή δεν περιέχει καμία πληροφορία για την ύλη που έπεσε μέσα, τότε η αρχική πληροφορία φαίνεται να έχει καταστραφεί.
Αυτό συγκρούεται με τη μοναδιαία εξέλιξη της Κβαντομηχανικής και δημιουργεί το Παράδοξο της Πληροφορίας των Μαύρων Οπών.
Πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι μια ολοκληρωμένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας πρέπει τελικά να διατηρεί την πληροφορία, ίσως με τρόπο εξαιρετικά ανακατεμένο μέσα στην ακτινοβολία. Δεν διαθέτουμε, όμως, ακόμη μία πλήρη και πειραματικά επιβεβαιωμένη λύση.
Τι δεν σημαίνει
Η διατήρηση της κβαντικής πληροφορίας δεν αποδεικνύει ότι:
- κάθε ανθρώπινη ανάμνηση παραμένει ανακτήσιμη,
- μια κατεστραμμένη φωτογραφία υπάρχει κάπου άθικτη,
- η προσωπικότητα επιβιώνει μετά τον θάνατο,
- το Σύμπαν διαθέτει συνείδηση και θυμάται τα πάντα.
Αυτές είναι διαφορετικές φιλοσοφικές ή θρησκευτικές ερωτήσεις. Δεν προκύπτουν από τη μαθηματική έννοια της κβαντικής πληροφορίας.
Μια ποιητική γέφυρα
Η Φυσική μάς προσφέρει μια εικόνα πιο λεπτή από το «τίποτε δεν χάνεται».
Ό,τι συνέβη μπορεί να αφήσει ίχνη, να αλλάξει συσχετίσεις και να επηρεάσει όσα ακολουθούν. Τα ίχνη αυτά, όμως, μπορούν να διασκορπιστούν τόσο βαθιά ώστε κανένας παρατηρητής να μην μπορεί να ανασυνθέσει την ιστορία τους.
Η Ποίηση μπορεί να πει:
Τίποτε δεν φεύγει χωρίς να αγγίξει τον κόσμο.
Η Φυσική θα προσθέσει:
Το άγγιγμα μπορεί να παραμένει στις συσχετίσεις — ακόμη κι όταν δεν μπορούμε πια να το διαβάσουμε.
Κράτα αυτό:
Στην ιδανική μοναδιαία κβαντική εξέλιξη, η πληροφορία
δεν καταστρέφεται.
Μπορεί όμως να διασκορπιστεί τόσο πολύ, ώστε να γίνει
πρακτικά απρόσιτη.
Άλλο η θεμελιώδης διατήρηση.
Άλλο η ανθρώπινη δυνατότητα ανάκτησης.
Εικαστική σημείωση: Η μετάβαση από το φωτεινό νέφος στο δίκτυο συμβολίζει τη διασπορά της πληροφορίας σε πολλές συσχετίσεις. Δεν αποτελεί κυριολεκτική απεικόνιση κβαντικών δεδομένων.
Επιστημονική αναφορά: Η κατάσταση ενός απομονωμένου κβαντικού συστήματος εξελίσσεται μοναδιαία, διατηρώντας την κβαντική πληροφορία. Στα ανοικτά συστήματα, η πληροφορία μπορεί να μεταφερθεί σε συσχετίσεις με το περιβάλλον και να γίνει απρόσιτη. Το αν και πώς διατηρείται κατά την πλήρη εξάτμιση μιας μαύρης οπής αποτελεί το Παράδοξο της Πληροφορίας και συνδέεται με την ακόμη ανολοκλήρωτη αναζήτηση μιας θεωρίας κβαντικής βαρύτητας. MIT OpenCourseWare — Unitary Quantum Evolution · Stanford Encyclopedia of Philosophy — Black Holes and Information Loss
