Monday, April 15, 2019

HỐ ĐEN

Fr:Vuong Nguyen

Bí ẩn hố đen: Nơi con người phân thân?

Amanda Gefte


Điều gì xảy ra khi bạn rơi vào hố đen?
Bạn có thể nghĩ rằng mình sẽ bị nghiền nát hay bị xé ra từng mảnh. Tuy nhiên sự thật thì kỳ quặc hơn nhiều.

Hai sự thật đối lập?

Đúng vào khoảnh khắc bạn bước vào hố đen, thực tế sẽ chia ra làm hai, trái ngược nhau. Ở một phía, bạn sẽ ngay lập tức bị thiêu đốt thành than, còn ở phía kia bạn sẽ rơi vào hố đen mà hoàn toàn bình an vô sự.
Hố đen là nơi mà quy luật vật lý chúng ta vốn biết bị phá vỡ. Theo Einstein thì đây là nơi mà lực hấp dẫn bẻ cong không gian. Do đó với một vật thể đủ đậm đặc, không gian-thời gian có thể bị bẻ cong đến mức tự thân nó xoắn lại và xoáy thành một cái hố.
Một ngôi sao khổng lồ bị cạn hết năng lượng có thể tạo ra một dạng đậm đặc vô cùng, đủ để tạo ra một thế giới bị sứt mẻ như thế. Khi nó bị đè dưới sức nặng của chính nó và sụp đổ vào bên trong, không gian-thời gian cũng bị sụp vào theo. Trường hấp dẫn trở nên mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được và biến nơi từng có sự tồn tại của ngôi sao đó trở thành một nơi tăm tối hoàn toàn – tức là một hố đen.
Đường biên ngoài cùng của cái hố này là đường chân trời sự kiện – ở điểm này trường hấp dẫn vừa đủ làm cho ánh sáng không thoát được ra ngoài. Những gì nằm bên trong đường biên đó sẽ đều không thoát được ra ngoài.
 Bản quyền hình ảnh Julian BaumSPL
Đường chân trời sự kiện là nơi năng lượng rực cháy. Hiệu ứng lượng tử ở ngoài rìa tạo ra những dòng vật chất nóng tỏa nhiệt ngược lại vào trong vũ trụ. Hiện tượng này được gọi là bức xạ Hawking - đặt theo tên của nhà vật lý Stephen Hawking. Nếu có đủ thời gian, lỗ đen sẽ tỏa ra tất cả vật chất của nó và rồi tiêu tan.
Khi chúng ta đi sâu hơn nữa vào bên trong hố đen, không gian sẽ bị bẻ cong hơn nữa cho đến khi ngay chính giữa hố, không gian trở nên cong vô hạn. Không gian và thời gian không còn là những khái niệm có ý nghĩa nữa và những quy luật vật lý mà chúng ta biết – tất cả những quy luật cần có khái niệm không gian và thời gian – không còn đúng nữa.
Điều gì xảy ra ở đây? Không ai biết. Đó là một bí ẩn.

Quan sát của Anne

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu bạn vô tình rơi vào một trong sự bất thường này của vũ trụ? Hãy hỏi người bạn đồng hành không gian, mà chúng ta sẽ gọi là Anne, người kinh hoàng theo dõi cảnh bạn rơi xuống hố đen trong khi cô vẫn an toàn ở bên ngoài. Nhìn từ chỗ cô quan sát, mọi thứ đang bắt đầu trở nên kỳ quặc.
Khi bạn rơi càng lúc càng nhanh về phía đường chân trời sự kiện, Anne thấy bạn kéo duỗi ra và bị xoắn lại giống như là cô ấy đang nhìn qua một chiếc kính lúp khổng lồ. Chưa hết, khi bạn càng gần đến đường chân trời sự kiện, dường như bạn càng giống như đang di chuyển trong những đoạn phim quay chậm.

Bản quyền hình ảnh Equinox Graphics SPL
Bạn không thể hét lên để cô ấy nghe thấy tiếng, bởi làm gì có không khí trong không gian đó, nhưng bạn có thể cố tìm cách nháy đèn bằng chiếc iPhone trong tay (sẽ có app thích hợp để làm chuyện này) nhằm gửi cho cô ấy những nội dung qua tín hiệu Morse.
Tuy nhiên, những từ mà bạn đánh đi được chuyển tới cô ấy ngày càng chậm lại, lượng ánh sáng từ chiếc phone phát ra sẽ chậm dần: "Không sao, k h ô n g s a o, k h ô n g s . . . "
Khi bạn chạm đến đường chân trời sự kiện, Anne thấy bạn đứng yên giống như bị bấm nút tạm dừng. Bạn bị dính chặt vào đó, bất động và kéo duỗi ra trên bề mặt đường chân trời sự kiện trong lúc nhiệt độ ngày càng tăng bắt đầu bao phủ lấy bạn.
Theo Anne, bạn sẽ từ từ biến mất trước tác động của không gian kéo giãn, thời gian ngừng lại và các ngọn lửa của bức xạ Hawking. Trước khi bạn đi vào nơi tăm tối bên trong hố đen thì bạn đã hóa thành tro bụi.
Thế nhưng trước khi chuẩn bị làm tang lễ cho bạn, chúng ta hãy tạm quên đi Anne và nhìn mọi sự từ góc nhìn của bạn nhé. Sự thể còn lạ lùng hơn thế nhiều, bởi chả có gì xảy ra hết.
Bạn thẳng tiến vào cái đích đáng ngại nhất của tự nhiên mà không hề bị cú xóc nảy nào, và tất nhiên là chẳng hề có chuyện duỗi thẳng, di chuyển chậm đi hay bị bỏng vì bức xạ gì hết. Bởi bạn khi đó trong trạng thái rơi tự do, không hề cảm thấy lực hấp dẫn, là cái cảm giác mà Einstein gọi là "hạnh phúc nhất" của ông.
Xét cho cùng, đường chân trời sự kiện không phải là một bức tường gạch trong không gian. Một người quan sát bên ngoài lỗ đen không thể nhìn xuyên thấu qua nó nhưng người đang rơi vào lỗ đen thì không gặp vấn đề đó - bạn chẳng hề thấy đường chân trời nào hết.

Bản quyền hình ảnh Richard Kail SPL
Nếu đó là một hố đen nhỏ thì sẽ xảy ra chuyện đối với bạn. Lực hấp dẫn ở phần chân của bạn sẽ mạnh hơn nhiều so với lực hút ở phần đầu. Bạn sẽ bị kéo giãn ra giống như một sợi mì ống.
Thế nhưng đây là một hố đen lớn, có kích thước lớn hơn hàng triệu lần so với Mặt Trời, cho nên lực kéo giãn bạn ra sẽ trở nên yếu tới mức gần như không cảm nhận được.

Vẫn sống như thường

Thật ra, ở hố đen có kích thước lớn vừa đủ thì bạn có thể sống phần đời còn lại của mình tương đối bình thường cho đến khi bạn chết ở điểm kỳ dị không gian – thời gian.
Bạn sẽ tự hỏi liệu trải nghiệm đó thật sự có bình thường không, khi mà bạn bị cuốn về phía không gian-thời gian bị đứt quãng trong lúc bạn không muốn thế, nhưng lại không thể chọn phía ngược lại?
Thế nhưng suy nghĩ về chuyện này thì chúng ta đều biết rằng thời gian chỉ tiến về phía trước chứ không bao giờ quay lùi trở lại và nó kéo chúng ta đi tới tương lai, mặc cho ta có muốn hay không.
Điều này không chỉ là sự tương đồng. Các hố đen bẻ cong không gian và thời gian đến mức bên trong đường chân trời sự kiện, không gian và thời gian gần như đổi chỗ cho nhau.
Một mặt, thời gian chính là yếu tố kéo bạn về phía điểm kỳ dị không gian – thời gian. Bạn không thể quay trở ra và thoát khỏi lỗ đen đó, giống như việc bạn không thể thối lui để đi ngược về quá khứ.

Bản quyền hình ảnh Henning Dalhoff SPL
Ở chỗ này có lẽ một câu hỏi được đặt ra với bạn: Anne sai ở chỗ nào vậy? Nếu bạn đang lạnh cóng bên trong lỗ đen mà xung quanh chỉ có không gian trống rỗng, vậy thì tại sao cô ta lại quả quyết rằng bạn đã bị cháy ra tro do sự tỏa nhiệt phía ngoài đường chân trời sự kiện? Cô ấy đang ảo giác chăng?
Thật ra, Anne hoàn toàn có lý. Từ nơi cô ấy quan sát thì bạn thật sự bị nướng đen ở đường chân trời sự kiện. Đó không phải là ảo giác. Cô ấy thậm chí còn có thể thu lượm tro của bạn rồi gửi về cho thân nhân bạn.

Ở hai nơi một lúc

Theo quy luật tự nhiên thì bạn phải ở bên ngoài hố đen như Anne đã nhìn thấy. Đó là vì vật lý lượng tử cho rằng thông tin không bao giờ bị mất đi. Tất cả thông tin lớn nhỏ làm nên sự tồn tại của bạn phải ở phía ngoài đường chân trời sự kiện, nếu không các quy luật vật lý xét từ góc nhìn của Anne sẽ bị phá vỡ.
Mặt khác, quy luật vật lý cũng cho rằng bạn băng qua đường chân trời sự kiện mà không gặp phải những hạt nóng hay bất cứ cái gì bất thường. Nếu không thì bạn đã vi phạm thuyết tương đối tổng quan của Einstein.
Do đó, theo quy luật vật lý thì bạn phải vừa ở bên ngoài hố đen và hóa thành tro bụi vừa phải bên trong hố đen mà vẫn khỏe mạnh bình thường. Ngoài ra cũng có một quy luật vật lý thứ ba nữa, theo đó xác định rằng thông tin về bạn không thể được sao chép. Bạn phải ở hai nơi một lúc nhưng chỉ có duy nhất một mình bạn mà thôi.
Các định luật vật lý dường như đưa chúng ta đến chỗ kết luận vô lý. Các nhà vật lý gọi đây là sự nghịch lý thông tin lỗ đen. May mắn là vào những năm 1990 họ đã tìm ra lời giải đáp.

 Bản quyền hình ảnh Victor de Schwanberg SPL
Leonard Susskind nhận ra rằng không có nghịch lý nào cả bởi vì không có ai từng nhìn thấy bản sao của bạn cả. Anne chỉ nhìn thấy một phiên bản của bạn. Bạn chỉ nhìn thấy một phiên bản của mình. Bạn và Anne không bao giờ có thể so sánh những gì mỗi người nhìn thấy được với nhau. Cũng không có một bên thứ ba nào có thể nhìn thấy cả bên trong lẫn bên ngoài lỗ đen cùng một lúc. Do đó, không có quy luật vật lý nào bị phá vỡ cả.
Trừ phi bạn muốn bạn muốn biết thật sự điều gì là đúng. Bạn thật sự chết rồi hay vẫn còn sống?

Nhìn qua đường chân trời sự kiện

Bí mật vĩ đại mà hố đen tiết lộ cho chúng ta là không có cái gì thật sự cả. Nó tùy thuộc vào bạn đặt câu hỏi này với ai? Với Anne hay với chính bạn? Chấm hết.
Hồi mùa hè năm 2012, các nhà vật lý Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski và James Sully, được biết đến với tên gọi chung AMPS, đã đưa ra một thí nghiệm về suy nghĩ vốn đe dọa đảo ngược tất cả những gì mà chúng ta cho rằng mình biết về hố đen.
Họ phát hiện ra rằng lời giải của Susskind dựa trên một thực tế rằng bất cứ sự bất đồng nào giữa bạn và Anne đều có vai trò của đường chân trời sự kiện. Không có gì là ghê gớm nếu như Anne nhìn thấy bạn phân rã do hiện tượng bức xạ Hawking, bởi vì đường chân trời sự kiện không cho cô ấy thấy phiên bản khác của bạn đang trôi nổi bên trong hố đen.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như Anne có cách nào đó để nhìn về phía bên kia của đường chân trời sự kiện mà không phải bước qua nó?
Theo thuyết tương đối thì điều này là không thể, nhưng xét trên quan điểm vật lý lượng tử thì mọi thứ sẽ mơ hồ hơn một chút. Anne có thể nhìn trộm vào phía bên kia đường chân trời sự kiện bằng cách áp dụng một mẹo nhỏ mà Einstein gọi là "hành động ma quái từ xa" ("spooky action-at-a-distance").

 Bản quyền hình ảnh NASA CXC M. Weiss
Điều này xảy ra khi hai hệ thống vật chất bị không gian ngăn ra bằng một cách bí ẩn nào đó kết nối vào được với nhau. Chúng vốn cùng thuộc về một hệ thống nguyên vẹn, duy nhất và không thể phân chia. Điều này khiến cho những thông tin cần thiết để mô tả chúng không thể tìm thấy trong hai hệ thống riêng lẻ mà phải trong những mối liên hệ ma quái giữa chúng với nhau.

Kết nối thông tin

Cách lý giải của nhóm nhà khoa học AMPS là: giả sử Anne nắm được một chút thông tin gần đường chân trời sự kiện và chúng ta gọi những thông tin đó là A.
Nếu Anne đúng, tức là bạn đã đi đời nhà ma do bị hiện tượng bức xạ Hawking bên ngoài hố đen thì A phải kết nối với một mẩu thông tin khác được gọi là B vốn thuộc về đám mây tỏa nhiệt nóng.
Mặt khác, nếu bạn đúng, tức là bạn vẫn còn sống và khỏe mạnh ở phía bên kia của đường chân trời sự kiện, thì A phải kết nối với một mẩu thông tin khác được gọi là C, vốn nằm đâu đó bên trong hố đen.

 Bản quyền hình ảnh Thinkstock
Mỗi mẩu thông tin chỉ có thể kết nối một lần. Điều này có nghĩa là A chỉ có thể kết nối với B hoặc C chứ không thể kết nối với hai mẩu thông tin cùng một lúc.
Do đó nếu Anne lấy mẩu thông tin A và đưa nó vào trong chiếc máy giải mã kết nối thì chiếc máy này sẽ cho ra một câu trả lời: hoặc là B hoặc là C.
Nếu câu trả lời là C thì có nghĩa là bạn đúng nhưng khi đó những định luật cơ học lượng tử bị vi phạm. Nếu A kết nối với C vốn nằm sâu bên trong lỗ đen thì mẩu thông tin C sẽ mất đi vĩnh viễn đối với Anne. Điều này vi phạm quy luật lượng tử vốn cho rằng thông tin không bao giờ bị mất.
Nếu cỗ máy giải mã của Anne cho kết quả là A kết nối với B thì có nghĩa là Anne đúng và lúc đó thuyết tương đối tổng quan bị vi phạm. Nếu A kết nối với B thì những gì Anne thấy là đúng – có nghĩa là bạn bị cháy thành tro bụi. Thay vì băng qua đường chân trời sự kiện theo như thuyết tương đối thì bạn lại đụng bức tường lửa rừng rực cháy.
Ở chỗ này chúng ta quay lại điểm khởi đầu: điều gì sẽ xảy ra nếu bạn rơi vào bên trong hố đen?
Không ai biết câu trả lời và vấn đề này trở thành một trong những vấn đề gây tranh cãi nhất trong vật lý cơ bản.
Các nhà vật lý đã dành hơn một thế kỷ tìm cách dung hòa thuyết tương đối tổng quan với thuyết vật lý lượng tử. Họ biết rằng cuối cùng thì một trong hai thuyết này đành phải chịu thua thuyết kia.
https://www.bbc.com/vietnamese/culture_social/2015/08/150831_a-black-hole-would-clone-you_vert_earth

 


Daniel Doan*Paula Le*Kimmy Nguyen



The strange fate of a person falling in a black hole
If you fell into a black hole, you might expect to die instantly. But in fact your fate would be far stranger than that
  • By Amanda Gefter
25 May 2015This was the most-read story on BBC Earth in 2015. Here is another chance to read it.
It could happen to anyone. Maybe you're out trying to find a new habitable planet for the human race, or maybe you're just on a long walk and you slip. Whatever the circumstances, at some point we all find ourselves confronted with the age-old question: what happens when you fall into a black hole?
You might expect to get crushed, or maybe torn to pieces. But the reality is stranger than that.
The instant you entered the black hole, reality would split in two. In one, you would be instantly incinerated, and in the other you would plunge on into the black hole utterly unharmed.
Heavy objects warp the fabric of space itself (Credit: Julian Baum/SPL)
Heavy objects warp the fabric of space itself (Credit: Julian Baum/SPL)
A black hole is a place where the laws of physics as we know them break down. Einstein taught us that gravity warps space itself, causing it to curve. So given a dense enough object, space-time can become so warped that it twists in on itself, burrowing a hole through the very fabric of reality.
A massive star that has run out of fuel can produce the kind of extreme density needed to create such a mangled bit of world. As it buckles under its own weight and collapses inward, space-time caves in with it. The gravitational field becomes so strong that not even light can escape, rendering the region where the star used to be profoundly dark: a black hole.
As you go deeper into the black hole, space becomes ever more curvy
The outermost boundary of the hole is its event horizon, the point at which the gravitational force precisely counteracts the light's efforts to escape it. Go closer than this, and there's no escape.
The event horizon is ablaze with energy. Quantum effects at the edge create streams of hot particles that radiate back out into the universe. This is called Hawking radiation, after the physicist Stephen Hawking, who predicted it. Given enough time, the black hole will radiate away its mass, and vanish.
As you go deeper into the black hole, space becomes ever more curvy until, at the centre, it becomes infinitely curved. This is the singularity. Space and time cease to be meaningful ideas, and the laws of physics as we know them — all of which require space and time — no longer apply.
What happens here, no one knows. Another universe? Oblivion? The back of a bookcase? It's a mystery.
In a black hole, space becomes infinitely curved (Credit: Henning Dalhoff/SPL)






In a black hole, space becomes infinitely curved (Credit: Henning Dalhoff/SPL)
So what happens if you accidentally fall into one of these cosmic aberrations? Let's start by asking your space companion — we'll call her Anne — who watches in horror as you plunge toward the black hole, while she remains safely outside. From where she's floating, things are about to get weird.
As you accelerate toward the event horizon, Anne sees you stretch and contort, as if she were viewing you through a giant magnifying glass. What's more, the closer you get to the horizon the more you appear to move in slow motion.
Before you ever cross over into the black hole's darkness, you're reduced to ash
You can't shout to her, as there's no air in space, but you might try flashing her a Morse message with the light on your iPhone (there's an app for that). However, your words reach her ever more slowly, the light waves stretching to increasingly lower and redder frequencies: "Alright, a l r i g h t,   a   l    r     i…"
When you reach the horizon, Anne sees you freeze, like someone has hit the pause button. You remain plastered there, motionless, stretched across the surface of the horizon as a growing heat begins to engulf you.
According to Anne, you are slowly obliterated by the stretching of space, the stopping of time and the fires of Hawking radiation. Before you ever cross over into the black hole's darkness, you're reduced to ash.
But before we plan your funeral, let's forget about Anne and view this gruesome scene from your point of view. Now, something even stranger happens: nothing.
The boundary of a black hole might be a blazing firewall (Credit: Equinox Graphics/SPL)
The boundary of a black hole might be a blazing firewall (Credit: Equinox Graphics/SPL)
You sail straight into nature's most ominous destination without so much as a bump or a jiggle – and certainly no stretching, slowing or scalding radiation. That's because you're in freefall, and therefore you feel no gravity: something Einstein called his "happiest thought".



In a big enough black hole, you could live out the rest of your life pretty normally
After all, the event horizon is not like a brick wall floating in space. It's an artefact of perspective. An observer who remains outside the black hole can't see through it, but that's not your problem. As far as you're concerned there is no horizon.
Sure, if the black hole were smaller you'd have a problem. The force of gravity would be much stronger at your feet than at your head, stretching you out like a piece of spaghetti. But lucky for you this is a big one, millions of times more massive than our Sun, so the forces that might spaghettify you are feeble enough to be ignored.
In fact, in a big enough black hole, you could live out the rest of your life pretty normally before dying at the singularity.
The event horizon is not a solid barrier (Credit: Richard Kail/SPL)
The event horizon is not a solid barrier (Credit: Richard Kail/SPL)
How normal could it really be, you might wonder, given that you're being sucked toward a rupture in the space-time continuum, pulled along against your will, unable to head back the other way?
You can't turn around and escape the black hole
But when you think about it, we all know that feeling, not from our experience with space but with time. Time only goes forwards, never backwards, and it pulls us along against our will, preventing us from turning around.
This isn't just an analogy. Black holes warp space and time to such an extreme that inside the black hole's horizon, space and time actually swap roles. In a sense, it really is time that pulls you in toward the singularity. You can't turn around and escape the black hole, any more than you can turn around and travel back to the past.
At this point you might want to stop and ask yourself a pressing question: What the hell is wrong with Anne? If you're chilling inside the black hole, surrounded by nothing weirder than empty space, why is she insisting that you've been burned to a crisp by radiation outside the horizon? Is she hallucinating?
"Hawking radiation" flows out of the event horizon (Credit: Richard Kail/SPL)
"Hawking radiation" flows out of the event horizon (Credit: Richard Kail/SPL)
Actually, Anne is being perfectly reasonable. From her point of view, you really have been burned to a crisp at the horizon. It's not an illusion. She could even collect your ashes and send them back to your loved ones.
In fact, the laws of nature require that you remain outside the black hole as seen from Anne's perspective. That's because quantum physics demands that information can never be lost. Every bit of information that accounts for your existence has to stay on the outside of the horizon, lest Anne's laws of physics be broken.

You have to be in two places, but there can only be one copy of you
 




On the other hand, the laws of physics also require that you sail through the horizon without encountering hot particles or anything out of the ordinary. Otherwise you'd be in violation of Einstein's happiest thought, and his theory of general relativity.
So the laws of physics require that you be both outside the black hole in a pile of ashes and inside the black hole alive and well. Last but not least, there's a third law of physics that says information can't be cloned. You have to be in two places, but there can only be one copy of you.
Somehow, the laws of physics point us towards a conclusion that seems rather nonsensical. Physicists call this infuriating conundrum the black hole information paradox. Luckily, in the 1990s they found a way to resolve it.
Once you fall in, there's no coming out (Credit: Science Photo Library)
Once you fall in, there's no coming out (Credit: Science Photo Library)
Leonard Susskind realized that there is no paradox, because no one person ever sees your clone. Anne only sees one copy of you. You only see one copy of you. You and Anne can never compare notes. And there's no third observer who can see both inside and outside a black hole simultaneously. So, no laws of physics are broken.
Reality depends on whom you ask
Unless, that is, you demand to know which story is really true. Are you really dead or are you really alive?
The great secret that black holes have revealed to us is that there is no really. Reality depends on whom you ask. There is Anne's reality and there is your reality. End of story.
Well, almost. In the summer of 2012, the physicists Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski and James Sully, collectively known as AMPS, devised a thought experiment that threatened to upend everything we thought we knew about black holes.
Nobody is sure what lies inside a black hole (Credit: Henning Dalhoff/SPL)


Nobody is sure what lies inside a black hole (Credit: Henning Dalhoff/SPL)
They realized that Susskind's solution hinged on the fact that any disagreement between you and Anne is mediated by the event horizon. It didn't matter if Anne saw the unlucky version of you scattered amongst the Hawking radiation, because the horizon prevented her from seeing the other version of you floating along inside the black hole.
Anne might sneak a peek behind the horizon
But what if there was a way for her to find out what was on the other side of the horizon, without actually crossing it?
Ordinary relativity would say that's a no-no, but quantum mechanics makes the rules a little fuzzier. Anne might sneak a peek behind the horizon, using a little trick that Einstein called "spooky action-at-a-distance".
This happens when two sets of particles that are separated in space are mysteriously "entangled". They are part of a single, indivisible whole, so that the information needed to describe them can't be found in either set alone, but in the spooky links between them.
Widely-separated particles can be spookily "entangled" (Credit: Victor de Schwanberg/SPL)
Widely-separated particles can be spookily "entangled" (Credit: Victor de Schwanberg/SPL)
The AMPS idea went something like this. Let's say Anne grabs hold of a bit of information near the horizon — call it A.
Each bit of information can only be entangled once
If her story is right, and you are a goner, scrambled amongst the Hawking radiation outside the black hole, then A must be entangled with another bit of information, B, which is also part of the hot cloud of radiation.
On the other hand, if your story is the true one, and you're alive and well on the other side of the event horizon, then A must be entangled with a different bit of information, C, which is somewhere inside the black hole.
Here's the kicker: each bit of information can only be entangled once. That means A can only be entangled with B or with C, not with both.
Black holes can pull material away from nearby stars (Credit: NASA/CXC/M. Weiss)
Black holes can pull material away from nearby stars (Credit: NASA/CXC/M. Weiss)
So Anne takes her bit, A, and puts it through her handy entanglement-decoding machine, which spits out an answer: either B or C.
Do you glide right through and live a normal life?
If the answer turns out to be C, then your story wins, but the laws of quantum mechanics are broken. If A is entangled with C, which is deep inside the black hole, then that piece of information is lost to Anne forever. That breaks the quantum law that information can never be lost.
That leaves B. If Anne's decoding machine finds that A is entangled with B, then Anne wins, and general relativity loses. If A is entangled with B, then Anne's story is the one true story, which means you really were burned to a crisp. Instead of sailing straight through the horizon, as relativity says you should, you hit a burning firewall.
So we're back where we started: what happens when you fall into a black hole? Do you glide right through and live a normal life, thanks to a reality that's strangely observer-dependent? Or do you approach the black hole's horizon only to collide with a deadly firewall?
 
 



Black holes distort passing light rays, causing "lensing" (Credit: Ute Kraus, CC by 2.5)
No one knows the answer, and it's become one of the most contentious questions in fundamental physics.
It would take Anne an extraordinarily long time to decode the entanglement
Physicists have spent more than a century trying to reconcile general relativity with quantum mechanics, knowing that eventually one or the other was going to have to give. The solution to the firewall paradox should tell us which, and point the way to an even deeper theory of the universe.
One clue might lie in Anne's decoding machine. Figuring out which other bit of information A is entangled with is an extraordinarily complicated problem. So physicists Daniel Harlow of Princeton University in New Jersey and Patrick Hayden, now at Stanford University in California, wondered how long it would take.
In 2013 they calculated that, even given the fastest computer that the laws of physics would allow, it would take Anne an extraordinarily long time to decode the entanglement. By the time she had an answer, the black hole would have long evaporated, disappearing from the universe and taking with it the threat of a deadly firewall.
Centaurus A has a black hole (Credit: ESO/WFI/MPIfR/APEX/A. Weiss/NASA/CXC/CfA/R. Kraft)
Centaurus A has a black hole (Credit: ESO/WFI/MPIfR/APEX/A. Weiss/NASA/CXC/CfA/R. Kraft)
If that's the case, the sheer complexity of the problem could prevent Anne from ever figuring out which story is the real one. That would leave both stories simultaneously true, reality intriguingly observer-dependent, all the laws of physics intact, and no one in danger of running into an inexplicable wall of fire.
If the true nature of reality lies hidden somewhere, the best place to look is a black hole
It also gives physicists something new to think about: the tantalizing connections between complex calculations (like the one Anne apparently can't do) and space-time. This may open the door to something deeper still.
That's the thing about black holes. They're not just annoying obstacles for space travellers. They're also theoretical laboratories that take the subtlest quirks in the laws of physics, then amplify them to such proportions that they can't be ignored.
If the true nature of reality lies hidden somewhere, the best place to look is a black hole. It's probably best to look from the outside, though: at least until they figure out this whole firewall thing. Or send Anne in. It's her turn already.
<