Kvantesuperposition er ikke kun en egenskab for subatomære partikler, men også for de mest massive objekter i universet. Det er konklusionen fra fire teoretiske fysikere i Australien og Canada, som har beregnet den hypotetiske respons fra en partikeldetektor placeret et stykke fra et sort hul. Forskerne siger, at detektoren ville se nye tegn på overlejrede rumtider, hvilket antyder, at det sorte hul kan have to forskellige masser samtidigt.
Sorte huller dannes, når ekstremt massive objekter som stjerner kollapser til en singularitet - et punkt med uendelig tæthed. Tyngdefeltet i et sort hul er så stort, at intet kan undslippe dets kløer, ikke engang lys. Dette skaber et sfærisk område af rummet omkring singulariteten, der er fuldstændig afskåret fra resten af universet og afgrænset af det, der er kendt som en begivenhedshorisont.
Et aktivt forskningsområde i sorte hullers fysik søger at udvikle en konsekvent teori om kvantetyngdekraften. Dette er et vigtigt mål for teoretisk fysik, der ville forene kvantemekanikken og Einsteins generelle relativitetsteori. Især ved at overveje sorte huller i kvantesuperposition håber fysikere at få indsigt i rum-tidens kvantenatur.
Unruh–deWitt detektor
I seneste arbejde, rapporteret i Physical Review Letters, Joshua Foo , Magdalena Zych fra University of Queensland sammen med Cemile Arabaci , Robert Mann ved University of Waterloo skitserer, hvad de beskriver som en ny operationel ramme til at studere rum-tid superpositioner. I stedet for at bruge en "top-down" tilgang til at kvantisere generel relativitet, overvejer de i stedet virkningerne af et sort huls kvantetilstand på adfærden af en specifik fysisk enhed kaldet en Unruh-deWitt detektor.
Dette er en hypotetisk enhed, der omfatter et to-tilstandssystem, såsom en partikel i en kasse, koblet til et kvantefelt. Når systemet er i sin lavenergitilstand og udsættes for elektromagnetisk stråling med den helt rigtige frekvens, hopper systemet til sin højere tilstand og registrerer et "klik".
Denne form for detektor kan i teorien bruges til at måle Unruh stråling, et varmebad af partikler, der forudsiges at dukke op fra kvantevakuumet til en observatør, der accelererer gennem rummet. I scenariet i den nye forskning ville det i stedet fange Hawking stråling. Dette er stråling, der forudsiges at blive skabt, når virtuelle partikel-antipartikel-par i kvantevakuumet rives fra hinanden ved et sort huls begivenhedshorisont - antipartiklen forsvinder derefter ind i tomrummet, og partiklen udsendes i det omgivende rum.
I deres tankeeksperiment forestiller kvartetten sig en Unruh–deWitt-detektor placeret på et specifikt punkt uden for et sort huls begivenhedshorisont, med detektorens faste position aktiveret af en acceleration væk fra det sorte hul, der giver Hawking-strålingen. Forskerne overvejer effekten af en superposition af det sorte huls masse på outputtet af den detektor.
Superposition af afstande
Som de forklarer, giver de to masser forskellige løsninger til feltligningerne for den generelle relativitetsteori og derved forskellige rumtider. Den resulterende superposition af rum-tider efterlader igen detektoren i en superposition af afstande fra begivenhedshorisonten, hvilket skaber, hvad der i virkeligheden er et interferometer, hvis arme hver især er forbundet med en af de sorte huls masser. Sandsynligheden for at detektoren klikker afhænger af, hvilke masser der er til stede i superpositionen.
Ved at lave beregningerne for et relativt simpelt sort hul beskrevet i to rumlige dimensioner af Banados-Teitelboim-Zanelli-formuleringen, opnåede fysikerne et slående resultat. De plottede sandsynligheden for at detektere en partikel udsendt af det sorte hul som funktion af kvadratroden af superpositionens masseforhold og fandt skarpe toppe, når disse værdier var lig med 1/n, med n være et heltal.
Entangled Hawking-stråling spottet i analogt sort hul
Forskerne tilskriver denne adfærd konstruktiv interferens mellem strålingen i interferometerarmene, der svarer til de sorte hulmasser, som den amerikansk-israelske fysiker Jacob Bekenstein forudsagde i 1970'erne. Han viste, at overfladearealet af et sort huls begivenhedshorisont – og derfor dets masse – er en adiabatisk invariant. Dette er en fysisk egenskab, som forbliver konstant, når den påvirkes langsomt, og som resulterer i, at massen bliver kvantiseret.
"Dette resultat giver uafhængig støtte til Bekensteins formodning," skriver forskerne i Physical Review Letters, "der demonstrerer, hvordan detektorens excitationssandsynlighed kan afsløre en ægte kvantegravitationsegenskab ved et kvantesort hul".
De fire fysikere understreger, at resultatet fremkom fra deres beregninger uden at antage, at sorthulsmassen skulle falde inden for de diskrete bånd forudsagt af Bekensteins formodning. De tilføjer, at deres teknik kunne udvides til mere komplekse beskrivelser af sorte huller i tre rumlige dimensioner, som de siger, ville give yderligere indsigt om virkningerne af kvantetyngdekraften i vores univers.
