והמידע אינו מת לעולם

אחרי שנמות יתפזרו האטומים של גופנו וימצאו להם מעונות חדשים בימים, בעצים ובגופים אחרים. אבל לפי חוקי תורת הקוונטים, המידע על אודות המבנה של גופנו ותפקודו לא ייעלם. אמנם לא יהיה ניתן עוד לזהות את היחסים בין האטומים, והרי אלה הפרטים שהופכים אותנו למי שאנחנו, ובכל זאת הם ימשיכו להתקיים – אבודים לכל צורך מעשי, נצחיים במישור העקרוני.

לפני 40 שנה הראה סטיבן הוקינג כי חורים שחורים משמידים מידע לעד. כל מה שנופל לתוך חור שחור נעלם משאר היקום. בסופו של דבר הוא נפלט החוצה כמשב רוח של חלקיקים

ככל הידוע לפיזיקאים בימינו, יש יוצא מן הכלל אחד בלבד לרעיון המנחם הזה: המידע אינו יכול לשרוד מפגש עם חור שחור. לפני 40 שנה הראה סטיבן הוקינג כי חורים שחורים משמידים מידע לעד. כל מה שנופל לתוך חור שחור נעלם משאר היקום. בסופו של דבר הוא נפלט החוצה כמשב רוח של חלקיקים – "קרינת הוקינג" – המרחף לו הרחק מאופק האירועים, שהוא הגבול הפיזי החיצוני של החור השחור. כך החורים השחורים מתאיידים לאיטם, אבל התהליך הזה מוחק את כל הידע על אודות המבנה של החור השחור. הקרינה נושאת עמה נתונים רק על מסה כללית, מטען ותנע זוויתי, אבל כל פרט אחר על כל דבר שנפל לתוך החור השחור נעלם לבלי שוב.

איור המתאר חור שחור ומסביבו דיסקת ספיחה. המעטפת של החור השחור קרויה אופק אירועים. תצלום: נאס"א, ויקיפדיה

תגליתו של הוקינג בנושא התאיידות החורים השחורים הביאה תעלומה עצומה לפתחם של הפיזיקאים התיאורטיים: לפי תורת היחסות הכללית, חורים שחורים הורסים את כל המידע שנכנס אליהם, אך תורת הקוונטים אומרת שזה בלתי אפשרי, כי המידע חייב להמשיך לחיות לנצח. שתי התיאוריות האלה מבוססות היטב, ואף על פי כן הן מסרבות להשתלב זו בזו. ההתנגשות הזאת חושפת עניין הרבה יותר מהותי ממאפיין אקזוטי בלתי מוסבר כלשהו של החורים השחורים: פרדוקס המידע מבהיר לנו שהפיזיקאים אינם מבינים עדיין את החוקים היסודיים של הטבע.

ייתכן שבעתיד נוכל להשתמש במנגנון הפיזיקלי של החורים השחורים כדי לבנות מחשבים קוונטיים משלנו

אבל גִיָה דבאלי (Dvali), פיזיקאי מאוניברסיטת לודוויג-מקסימיליאן במינכן, חושב שהוא מצא את הפתרון. "חורים שחורים הם מחשבים קוונטיים", הוא אומר. "יש לנו רצף מפורש של עיבוד מידע". אם הוא צודק, הפרדוקס בטל, ומידע הוא באמת נצחי. ומה שמדהים אף יותר הוא שלרעיון שלו יש השלכות מעשיות. ייתכן שבעתיד נוכל להשתמש במנגנון הפיזיקלי של החורים השחורים כדי לבנות מחשבים קוונטיים משלנו.

חילוץ מידע מתוך חורים שחורים נראה לכאורה בלתי אפשרי, והסיבה לכך היא שמדובר בספרואידים שאופק האירועים שלהם נטול כל מאפיין פיזי. אין להם ״שיערות״, כפי שאמר הפיזיקאי האמריקני המנוח ג'ון וילר (Wheeler). הטיעון המקובל הוא שאי אפשר לאחסן מידע במשהו שאין לו תכונות שבאמצעותן אפשר לקודד אותו. וכאן קבור הכלב, אומר דבאלי: "כל משפטי ה'אין שיער' האלה שגויים". הוא ועמיתיו טוענים כי גרביטונים, חלקיקים תיאורטיים שנושאים בתוכם את הכבידה ומרכיבים את המרחב-זמן – פרוסים לאורך החור השחור ומייצרים את "השיער הקוונטי" המאפשר אחסון מידע וגם שחרור מידע.

המחקר החדש מתבסס על מאפיין לא אינטואיטיבי כל כך של תורת הקוונטים: תופעות קוונטיות אינן בהכרח זערוריות. נכון שהן שבריריות, ושהן נהרסות בקלות בסביבות חמות ועמוסות, כמו אלה שמצויות בכדור הארץ. זאת הסיבה שאיננו רואים אותן בדרך כלל, וזה גם האתגר המרכזי בבניית מחשבים קוונטיים, שמעבדים מידע באמצעות המצבים הקוונטיים של החלקיקים ולא לפי עיקרון ה-On/Off  של הטרנזיסטורים המוכרים. אבל במקום קר ומבודד, ההתנהגות הקוונטית יכולה להישמר לאורך מרחקים ארוכים, ואפילו לאורך עשרות מיליארדי הקילומטרים של אופק האירועים בחורים השחורים.

חוקרים קיררו אטומים לפחות מ־1/10,000 קלווין (כלומר, ל־1/10,000 מעלה מעל לאפס מוחלט) והצליחו לעבות מיליארד אטומים למצב קוונטי בודד שפרוס על פני מילימטרים בודדים. זה הישג עצום בתחום ההתנהגות הקוונטית הקולקטיבית

למעשה, אין כלל צורך לטוס לחלל החיצון כדי לחזות בתופעות הקוונטיות הנרחבות האלה. אמנם המרחקים והמסות העצומים הנדרשים ליצירת השיער הקוונטי של החור השחור נמצאים הרבה מעבר ליכולותינו הניסוייות, אבל חוקרים קיררו אטומים לפחות מ־1/10,000 קלווין (כלומר, ל־1/10,000 מעלה מעל לאפס מוחלט) והצליחו לעבות מיליארד אטומים למצב קוונטי בודד שפרוס על פני מילימטרים בודדים. זה הישג עצום בתחום ההתנהגות הקוונטית הקולקטיבית.

קולקטיב כזה של אטומים – הידוע בשם "עיבוי בוז-איינשטיין", על שמם של הפיזיקאי ההודי סאטינדרה בוז (Bose) ואלברט איינשטיין – הוא אחד הכלים המבטיחים ביותר כיום ליצירת מחשב קוונטי שמיש. תופעות קוונטיות המתרחשות בתוך מסגרת של עיבוי בוז-איינשטיין, כמו היכולת להיות בשני מקומות בעת ובעונה אחת, יכולות להתקיים לאורך כל החומר המעובה, וכך לייצר מצבים שלובים רבים. אם החוקרים יצליחו לייצב את העיבוי ולשלוט במצבים האלה, אנחנו נזכה בכוח עיבוד אדיר. ואין זה צירוף מקרים שעיבוי בוז-איינשטיין יכול לפתור גם את חידת אובדן המידע בחורים השחורים, שטורדת את מנוחתנו כבר עשרות שנים.

ממשיך לאתגר אותנו: סטיבן הוקינג. בתמונה: סטיבן הוקינג, במצב של חוסר משקל, בתוך מטוס בואינג 727 שנע במסלול פרבולי מיוחד. תצלום: Jim Campbell/Aero-News Network, ויקיפדיה

חידת המידע של הוקינג תקבל פתרון טבעי, אומר דבאלי, אם יתברר שהחורים השחורים מורכבים מגרביטונים שעברו עיבוי בוז-איינשטיין – שלוליות של כבידה מעובה, בעצם. זה אולי נשמע מטורף, אבל מבחינת דבאלי זאת מסקנה הגיונית לחלוטין המתבססת על כל מה שפיזיקאים גילו על חורים שחורים מאז שהוקינג פרסם לראשונה את החידה שלו. התיאורטיקנים יודעים איך לחשב כמה מידע החור השחור מסוגל להכיל: הוא מכומת על פי מידת האנטרופיה של החור השחור ועומד ביחס ישר לפני השטח של אופק האירועים. החוקרים גילו גם כי חורים שחורים יכולים לחלק מחדש או "לערבל" מידע במהירות רבה. וכמו כן, הם יודעים מה הקצב שהמידע חייב להימלט בו מהחור השחור כדי להימנע מהתנגשויות עם המכניקה הקוונטית.

דבאלי חוקר את המאפיינים האלה מאז שנת 2012, והוא גילה, למרבה הפתעתו, שסוגים שונים של עיבויי בוז-איינשטיין חולקים את תכונותיהם היסודיות עם חורים שחורים. כדי להתנהג כמו חור שחור, על החומר המעובה להשתהות בנקודה שנקראת "נקודה קוונטית קריטית" – המקום שבו תנודות נרחבות מתרחשות בנוזל רגע לפני שההתנהגות הקוונטית קורסת. לפי חישוביו של דבאלי, עיבוי קריטי קוונטי שכזה הוא בעל אותה אנטרופיה, יכולת ערבול וזמן שחרור כמו חור שחור. ובמילים אחרות, יש לו בדיוק המידה הנכונה של שיער קוונטי. "אפשר לטעון שזה צירוף מקרים, אבל בעיניי זו ראָיה חזקה מאוד – ראיה מתמטית, צריך לומר – לכך שחורים שחורים הם באמת ובתמים עיבויי בוז-איינשטיין", הוא אומר.

לדברי דבאלי, הפיזיקה של החורים השחורים מגלה לנו דרך טובה יותר לאחסן מידע בעיבוי בוז-איינשטיין על ידי שימוש במצבים קוונטיים שונים. חורים שחורים הם מכשירי אחסון המידע הפשוטים, הקומפקטיים והיעילים ביותר המוכרים לפיזיקאים

אז דבאלי קושר בין חורים שחורים לסוג של חומר שאפשר ליצור במעבדה, ופירושו שאפשר לבחון את הטיעונים שלו בניסוי. עמנואל בלוך (Bloch), פיזיקאי ממכון מקס פלנק במינכן, הוא בעל ניסיון מעשי עם עיבויי בוז-אינשטיין. הוא מעבה אטומים "בגבישי אור" – סבכות אופטיות שנוצרו על ידי הצלבת קרני רנטגן – ואז מצלם את העיבויים בטכניקה שנקראת דימות פלורסנטי. התמונות שלו חושפות באופן יפהפה התנהגות אטומית בעלת מתאם קוונטי.

בלוך חושב שהתיאוריה של דבאלי, שמגיעה מתחום שונה לחלוטין משלו, היא מסקרנת. "אני די מתלהב מהטענה של גיה. אני חושב שזה משהו באמת חדש ", אומר בלוך. "כבר ראינו דינמיקות של קריסה באינטראקציה עם עיבויים, אבל איש לא חקר את הנקודה הקריטית הקוונטית ומה קורה שם.

"בעיבוי בוז-איינשטיין יש גלים קוונטיים מקרוסקופיים, מה שאומר שבמספרים קוונטיים, יש הרבה תנודות. זאת הסיבה שהעיבוי דומה מאוד לגבינה שווייצרית", הוא מסביר. אבל בלוך יכול להשתמש בשדה מגנטי כדי לשנות את עוצמת האינטראקציה של האטומים ולשדל אותם ליצור סבכה מאורגנת. "כשמייצרים אינטראקציה חזקה מאוד באטומים, מגיעים ל'מצב מוט' (Mott) [המסודר מאוד]. זהו מצב מצוין בשביל מחשוב קוונטי כי יש כאן מערך קבוע. ואפשר לתפעל את האטומים עם לייזרים ולסובב אותם ולשנות את הסְפּין [כדי לקודד מידע ולעבד אותו]".

לדברי דבאלי, הפיזיקה של החורים השחורים מגלה לנו דרך טובה יותר לאחסן מידע בעיבוי בוז-איינשטיין על ידי שימוש במצבים קוונטיים שונים. חורים שחורים הם מכשירי אחסון המידע הפשוטים, הקומפקטיים והיעילים ביותר המוכרים לפיזיקאים. לכן השימוש בפרוטוקול הקידוד שלהם אמור להיות השיטה הטובה ביותר לאחסון מידע במחשבים קוונטיים המבוססים על עיבוי.

הדמיה של מבנה האטומים הדומה לגלים בעיבוי בוז-איינשטיין, סמוך לאפס המוחלט. תצלום: נאס"א, NIST

בלוך חושב שאנחנו נוכל לייצור במעבדה עיבוי המחקה חור שחור: "[בחור שחור] עוצמת האינטראקציה מווסתת את עצמה. אפשר לדמות משהו כזה על ידי כוונון עוצמת האינטראקציה לנקודה שבה העיבוי עוד רגע קורס. התנודות גדלות ככל שמתקרבים לנקודה הקריטית הקוונטית. וכך אפשר לדמות מערכת כזאת. אפשר לחקור את כל התנודות הקוונטיות ומצבים שנמצאים מחוץ לשיווי משקל – כל זה אפשרי עכשיו על ידי התבוננות בעיבויים האלה במצבם הטבעי, עם רזולוציה מרחבית גבוהה".

אז הרעיון של דבאלי אפשרי, אבל אין פירושו שהוא מעשי. "הוא מתחרה בהרבה דברים אחרים שנמצאים עכשיו בשוק. נכון לעכשיו אני נוטה לספקנות", אומר בלוך. הוא מוסיף ואומר שאחסון מידע יעיל זה אמנם נחמד, אבל מבחינת מחשבים קוונטיים, "קיבולת מידע אינה הבעיה המרכזית כרגע". האתגר הגדול ביותר שהוא מזהה הוא למצוא את הדרך לתמרן באופן מבודד כל אחד מהמצבים הקוונטיים שדבאלי זיהה. במילים אחרות, הבעיה היא עיבוד המידע, ולא אחסונו. וזאת אינה המשוכה המעשית היחידה. "יש כל כך הרבה דברים שאיננו יודעים, כמו רעש, האם זה עמיד לרעש? אנחנו לא יודעים", אומר בלוך. "מבחינתי, הרבה יותר מעניין להתמקד בקשר עם הפיזיקה של הכבידה". וכאן ההשלכות הרבה יותר רחבות מאחסון מידע.

פיזיקאים במסורת של איינשטיין נוטים לראות במרחב-זמן העקום זירה שבה החומר מקיים את האינטראקציות שלו. אבל כמה כיווני מחקר עצמאיים מצביעים כעת על האפשרות שהמרחב-זמן אינו חסר ממשות כפי שחשבנו

דבאלי אינו החוקר היחיד שמצביע על קשר בין כבידה והפיזיקה של החומר המעובה, מגמה שפתחה עולמות חדשים לחלוטין של מחקר וניסוי. פיזיקאים במסורת של איינשטיין נוטים לראות במרחב-זמן העקום זירה שבה החומר מקיים את האינטראקציות שלו. אבל כמה כיווני מחקר עצמאיים מצביעים כעת על האפשרות שהמרחב-זמן אינו חסר ממשות כפי שחשבנו. נדמה שכבידה יכולה לנבוע מפיזיקה לא-כבידתית.

בעשורים האחרונים התגלו קשרים רבים בין הכבידה לסוגים מסוימים של נוזלים, שהוכיחו כי מערכות עם התנהגות קוונטית קולקטיבית יכולות לחקות מרחב-זמן עקום ולהוביל פחות או יותר לאותן משוואות שנובעות מתורת היחסות הכללית של איינשטיין. טרם פותחה גישה שבאמצעותה אפשר להסיק מן ההשערה שלפיה המרחב-זמן הוא חומר מעובה את תורת היחסות הכללית בכל כלליותה. לעת עתה, איש אינו יודע אם הדבר אפשרי בכלל. אף על פי כן, הקשרים החדשים שזוהו מעודדים פיזיקאים לחקור מערכות כבידה שאפשר לחקות באמצעות עיבויים אטומיים.

הדמיית כבידה באמצעות חומרים מעובים מסייעת לפיזיקאים לחקור אזורים – כמו אופק האירועים של חור שחור – שאינם נגישים למחקר בשום צורה אחרת. וכך, אף שקרינת הוקינג מעולם לא נצפתה בחורים שחורים אמיתיים, מקבילתה נמדדה בחורים שחורים מדומים באמצעות עיבוי בוז-איינשטיין. מובן שהחומרים המעובים האלה אינם באמת חורים שחורים – הם לוכדים גלי קול, לא אור – אבל הם כפופים לאחדים מאותם כללים מתמטיים. כלומר במובן מסוים, החומרים המעובים האלה מבצעים חישובים פיזיקליים מורכבים שקשה ביותר לעקוב אחריהם.

"אנחנו אוהבים לדבר על 'הדמיות קוונטיות' ולנסות להשתמש במערכות האלה כדי לבחון תופעות מעניינות שקשה לחשב במחשבים קלאסיים", אומר בלוך. "אנחנו גם מנסים להשתמש במערכת מהסוג הזה כדי לבחון מערכות אחרות כמו חורים שחורים, וגם הסתכלנו על [המקבילה של] חלקיק היגס בשני ממדים". במאמר שפורסם בשנת 2012 בכתב העת Nature דיווחו בלוך ועמיתיו שההדמיה הקוונטית שלהם מגלה כי חלקיקים דמויי היגס יכולים להתקיים בשני ממדים. אותה טכניקה תוכל לשמש בעיקרון למחקר של עיבויי בוז-איינשטיין המתנהגים כמו חורים שחורים.

הקירור הקיצוני, המוחלט, הוא רכיב חשוב באתגר. בתמונה: חלק ממערכת הקירור של מחשב קוונטי של IBM (מ-2018). תצלום: IBM Research

אבל השימוש בפיזיקה של החורים השחורים כדי לפתח פרוטוקולים למחשבים קוונטיים הוא דבר אחד, והשאלה אם חורים שחורים אסטרופיזיקליים הם באמת עיבויים של גרביטונים היא דבר אחר לגמרי. "אני לא מתעניין בזה אם אי אפשר לבדוק את זה", אומר שטפן הופמן, קוסמולוג תיאורטי ואחד מעמיתיו של דבאלי במינכן.

הופמן הקדיש לכן חלק ניכר מזמנו לבחינת ההשלכות הניתנות לצפייה של התיאוריה שלפיה חורים שחורים הם עיבויים של גרביטונים. "תסלחו לי מאוד, אבל משפטי החור השחור [נטול השיער] הם קשקוש". בזה הוא מסכים עם דבאלי. הופמן חושב שקיומו של השיער הקוונטי הסמוך לאופק האירועים יחולל שינויים קלים אך ניתנים לזיהוי בתחזיות של היחסות הכללית (בייחוד בכל הקשור לפליטת גלי הכבידה במהלך היווצרות או התנגשות של חורים שחורים). "החלום הוא התמזגות של צמד חורים שחורים", אמר הופמן בסמינר שהתקיים בשנת 2015. חלומו הפך זה עתה למציאות: החוקרים מגלאי LIGO הודיעו לאחרונה על מדידה ראשונה של גלי כבידה שנפלטו מהתמזגות של שני חורים שחורים.

אם הוא צודק, ההשלכה הקונספטואלית מדהימה: מידע באמת חי לנצח. במובן זה, כולנו בני אלמוות. והחור השחור העל־מסיבי שבמרכז הגלקסיה שלנו? הוא בעצם מחשב קוונטי קוסמי

הופמן ועמיתיו טרם הציגו תחזיות כמותניות, אבל לאור התופעות הקוונטיות המקרוסקופיות, ייתכן שבקרוב נוכל לבחון בניסוי את הפתרון שמציע דבאלי לבעיית אובדן המידע. עם זאת, ההשערה שלפיה חורים שחורים הם עיבויים קריטיים קוונטיים של גרביטונים, קרי עיבוי בוז-איינשטיין אמיתי, משאירה אותנו עם שאלות רבות שאין עליהן תשובה. דבר ראשון, החישובים של דבאלי אינם מסבירים מה באמת קורה לחומר שנופל לתוך חור שחור. והופמן מודה שלא ברור איך האובייקט של דבאלי הוא אכן "חור שחור" במובן המקובל, מכיוון שאי אפשר עוד לתאר אותו באמצעות המסגרת התיאורטית המוכרת של היחסות הכללית.

קרלו רובלי (Rovelli) מאוניברסיטת מרסיי חושב שלהשערה של דבאלי, המתארת חורים שחורים כחומר מעובה, עשוי להיות שימוש מדעי גם בצורתה החלקית. "הם משתמשים באומדן גס שאולי מתעלם מהיבטים מסוימים, אבל עשוי לעבוד עד נקודה מסוימת, בייחוד בתחום הגלים הארוכים. אולי זה לא מופרך בשביל תנודות קוונטיות [של מרחב-זמן] בתדר נמוך", אומר רובלי. אך הוא מזהיר שמודל העיבוי "אינו שלם בלי תיאור של המתרחש בתוך החור השחור".

מה שברור הוא שהמחקר הזה חשף קשר שלא היה ידוע לנו עד כה, ועשוי להניב פירות רבים. "יש לנו גשר מעניין מאוד בין מידע קוונטי למאפיינים הפיזיקליים של החור השחור, שמעולם לא דנו בו לפני כן", אומר דבאלי. אם הוא צודק, ההשלכה הקונספטואלית מדהימה: מידע באמת חי לנצח. במובן זה, כולנו בני אלמוות. והחור השחור העל־מסיבי שבמרכז הגלקסיה שלנו? הוא בעצם מחשב קוונטי קוסמי.

סאבינה הוסנפלדר (Hossenfelder) היא עמיתת מחקר במכון פרנקפורט ללימודים מתקדמים, והיא מתמקדת בפנומנולוגיה של הכבידה הקוונטית. מאמרי התפרסמו בכתבי העת Forbes, Scientific Americam, New Scientist   ועוד. ספרה האחרון הוא Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray (משנת 2018).

AEON Magazine. Published on Alaxon by special permission. For more articles by AEON, follow us on Twitter.

תרגם במיוחד לאלכסון: תומר בן אהרן

תמונה ראשית: מקור הקרינה הקוסמית Cygnus X-1 שהתגלה ב-1964 והיה למועמד הראשון להיות חור שחור. תצלום: NASA/CXC, ויקיפדיה