Sorte huller vil til sidst ødelægge alle kvantestater, hævder forskere

På Princeton University i begyndelsen af ​​1970'erne kunne den berømte teoretiske fysiker John Wheeler ses i seminarer eller improviseret gangdiskussioner, der tegnede et stort "U". Brevets venstre spids repræsenterede begyndelsen af ​​universet, hvor alt var usikkert, og alle kvantemuligheder foregik på samme tid. Brevets højre spids, nogle gange prydet med et øje, skildrede en iagttager, der kiggede tilbage i tiden, og dermed bragte venstre side af U'et til eksistens.

I dette "deltagende univers", som Wheeler kaldte det, udvidede og afkølede kosmos omkring U'et, dannede strukturer og til sidst skabte observatører, som mennesker og måleapparater. Ved at se tilbage til det tidlige univers gjorde disse observatører det på en eller anden måde virkeligt.

"Han ville sige ting som 'Intet fænomen er et sandt fænomen, før det er et observeret fænomen'," sagde Robert M. Wald, en teoretisk fysiker ved University of Chicago, som var Wheelers doktorand på det tidspunkt.

Nu, ved at studere, hvordan kvanteteorien opfører sig i horisonten af ​​et sort hul, har Wald og hans samarbejdspartnere beregnet en ny effekt, der tyder på Wheelers deltagende univers. Alene tilstedeværelsen af ​​et sort hul, har de fundet, er nok til at gøre en partikels tågede "superposition" - tilstanden af ​​at være i flere potentielle tilstande - til en veldefineret virkelighed. "Det vækker ideen om, at disse sorte huls horisonter ser," sagde medforfatter Gautam Satishchandran, en teoretisk fysiker ved Princeton.

"Det, vi har fundet, kan være en kvantemekanisk realisering af [det deltagende univers], men hvor rumtiden selv spiller rollen som observatøren," sagde Daine Danielson, den tredje forfatter, også i Chicago.

Teoretikere diskuterer nu, hvad de skal læse i disse vågne sorte huller. "Dette ser ud til at fortælle os noget dybt om den måde, hvorpå tyngdekraften påvirker måling i kvantemekanik," sagde Sam Gralla, en teoretisk astrofysiker ved University of Arizona. Men om dette vil vise sig at være nyttigt for forskere, der går i retning af en komplet teori om kvantetyngdekraften, er stadig nogens gæt.

Effekten er en af ​​mange, der er afdækket i det seneste årti af fysikere, der studerer, hvad der sker, når kvanteteori kombineres med tyngdekraft ved lave energier. For eksempel har teoretikere haft stor succes med at tænke sig om Hawking stråling, hvilket får sorte huller til langsomt at fordampe. "Subtile effekter, som vi ikke rigtig havde bemærket før, giver os begrænsninger, hvorfra vi kan skaffe fingerpeg om, hvordan vi går op mod kvantetyngdekraften," sagde Alex Lupsasca, en teoretisk fysiker ved Vanderbilt University, som ikke var involveret i den nye forskning.

Disse observerende sorte huller ser ud til at producere en effekt, der er "meget opsigtsvækkende," sagde Lupsasca, "fordi det føles som om det på en eller anden måde er dybt."

Sorte huller og superpositioner

For at forstå, hvordan et sort hul kunne observere universet, skal du starte i det små. Overvej det klassiske dobbeltspalte-eksperiment, hvor kvantepartikler affyres mod to spalter i en barriere. Dem, der passerer igennem, bliver så registreret af en skærm på den anden side.

I starten ser det ud til, at hver rejsende partikel vises tilfældigt på skærmen. Men efterhånden som flere partikler passerer gennem spalterne, opstår et mønster af lyse og mørke striber. Dette mønster antyder, at hver partikel opfører sig som bølger, der passerer gennem begge spalter på én gang. Båndene er et resultat af, at bølgernes toppe og lavpunkter enten lægger sig sammen eller udligner hinanden - et fænomen kaldet interferens.

Tilføj nu en detektor for at måle, hvilken af ​​de to spalter partiklen passerer igennem. Mønsteret af lyse og mørke striber vil forsvinde. Observationshandlingen ændrer partiklens tilstand - dens bølgeagtige natur forsvinder helt. Fysikere siger, at informationen opnået af detektionsapparatet "dekoherer" kvantemulighederne til en bestemt virkelighed.

Det er vigtigt, at din detektor ikke behøver at være tæt på spalterne for at finde ud af, hvilken vej partiklen tog. En ladet partikel udsender for eksempel et langtrækkende elektrisk felt, der kan have lidt forskellige styrker afhængigt af, om den gik gennem den højre eller venstre spalte. Måling af dette felt langvejs fra vil stadig give dig mulighed for at indsamle information om, hvilken vej partiklen tog og vil dermed forårsage dekohærens.

I 2021, Wald, Satishchandran og Danielson udforskede et paradoks, der opstod, når hypotetiske observatører indsamler information på denne måde. De forestillede sig en eksperimentator ved navn Alice, som skaber en partikel i en superposition. På et senere tidspunkt leder hun efter et interferensmønster. Partiklen vil kun udvise interferens, hvis den ikke er blevet for viklet ind i noget eksternt system, mens Alice observerer det.

Så kommer Bob, som forsøger at måle partiklens position langt væk ved at måle partiklens langtrækkende felter. Ifølge kausalitetsreglerne skulle Bob ikke være i stand til at påvirke resultatet af Alices eksperiment, da eksperimentet skulle være overstået, når signalerne fra Bob kommer til Alice. Men ifølge kvantemekanikkens regler, hvis Bob lykkes med at måle partiklen, vil den blive viklet ind i ham, og Alice vil ikke se et interferensmønster.

Trioen beregnede nøje, at mængden af ​​dekohærens på grund af Bobs handlinger altid er mindre end den dekohærens, som Alice naturligt ville forårsage af den stråling, hun udsender (som også bliver viklet ind i partiklen). Så Bob kunne aldrig dekohere Alice's eksperiment, fordi hun allerede ville have dekoheret det selv. Selvom en tidligere version af dette paradoks var løst i 2018 med en bagsideberegning af Wald og et andet team af forskere tog Danielson det et skridt videre.

Han stillede et tankeeksperiment til sine samarbejdspartnere: "Hvorfor kan jeg ikke placere [Bobs] detektor bag et sort hul?" I en sådan opsætning vil en partikel i en superposition uden for begivenhedshorisonten udsende felter, der krydser horisonten og bliver opdaget af Bob på den anden side, inden for det sorte hul. Detektoren får information om partiklen, men da begivenhedshorisonten er en "envejsbillet", kan ingen information krydse tilbage, sagde Danielson. "Bob kan ikke påvirke Alice inde fra det sorte hul, så den samme dekohærens skal ske uden Bob," skrev holdet i en e-mail til Quanta. Selve det sorte hul skal dekohere superpositionen.

"I det mere poetiske sprog i det deltagende univers er det, som om horisonten ser på superpositioner," sagde Danielson.

Ved at bruge denne indsigt gik de i gang med at arbejde på en nøjagtig beregning af, hvordan kvantesuperpositioner påvirkes af det sorte huls rum-tid. I et papir offentliggjort på preprint-serveren arxiv.org i januar, landede de på en simpel formel, der beskriver den hastighed, hvormed stråling krydser over hændelseshorisonten og dermed forårsager dekohærens. "At der overhovedet var en effekt, var for mig meget overraskende," sagde Wald.

Hår på horisonten

Ideen om, at begivenhedshorisonter samler information og forårsager dekohærens, er ikke ny. I 2016, Stephen Hawking, Malcolm Perry og Andrew Strominger beskrevet hvordan partikler, der krydser begivenhedshorisonten, kunne ledsages af meget lavenergistråling, der registrerer information om disse partikler. Denne indsigt blev foreslået som en løsning på det sorte huls informationsparadoks, en dyb konsekvens af Hawkings tidligere opdagelse af, at sorte huller udsender stråling.

Problemet var, at Hawking-stråling dræner energi fra sorte huller, hvilket får dem til at fordampe fuldstændigt over tid. Denne proces ser ud til at ødelægge enhver information, der er faldet ned i det sorte hul. Men ved at gøre det ville det modsige et grundlæggende træk ved kvantemekanikken: at information i universet ikke kan skabes eller ødelægges.

Den lavenergi-stråling, som trioen foreslår, ville komme uden om dette ved at tillade, at noget information distribueres i en glorie omkring det sorte hul og undslippe. Forskerne kaldte den informationsrige glorie for "blødt hår".

Wald, Satishchandran og Danielson undersøgte ikke det sorte huls informationsparadoks. Men deres arbejde gør brug af blødt hår. Specifikt viste de, at blødt hår ikke kun skabes, når partikler falder hen over en horisont, men når partikler uden for et sort hul blot flytter til et andet sted. Enhver kvantesuperposition udenfor vil blive viklet ind i blødt hår i horisonten, hvilket giver anledning til den dekohærenseffekt, de identificerede. På denne måde optages superpositionen som en slags "hukommelse" i horisonten.

Beregningen er en "konkret erkendelse af blødt hår," sagde Daniel Carney, en teoretisk fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory. "Det er et fedt papir. Det kunne være en meget nyttig konstruktion til at prøve at få den idé til at fungere i detaljer."

Men for Carney og flere andre teoretikere, der arbejder på forkant med forskning i kvantetyngdekraften, er denne dekohærenseffekt ikke så overraskende. Den langrækkende karakter af den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften betyder, at "det er svært at holde noget isoleret fra resten af ​​universet," sagde Daniel Harlow, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology.

Total dekohærens

Forfatterne argumentere at der er noget enestående "lumsk" over denne form for dekohærens. Normalt kan fysikere kontrollere dekohærens ved at skærme deres eksperiment fra det ydre miljø. Et vakuum fjerner for eksempel påvirkningen af ​​nærliggende gasmolekyler. Men intet kan beskytte tyngdekraften, så der er ingen måde at isolere et eksperiment fra tyngdekraftens langsigtede indflydelse. "Til sidst vil enhver superposition blive fuldstændig dekoheret," sagde Satishchandran. "Der er ingen måde at komme udenom."

Forfatterne betragter derfor sorte huls horisonter som at spille en mere aktiv rolle i dekohærens, end det tidligere var kendt. "Geometrien af ​​selve universet, i modsætning til stoffet i det, er ansvarlig for dekohærensen," skrev de i en e-mail til Quanta.

Carney bestrider denne fortolkning og siger, at den nye dekohærenseffekt også kan forstås som en konsekvens af elektromagnetiske eller gravitationsfelter, i kombination med regler fastsat af kausalitet. Og i modsætning til Hawking-stråling, hvor det sorte huls horisont ændrer sig over tid, har horisonten i dette tilfælde "ingen dynamik overhovedet," sagde Carney. “Horizonten gør ikke noget i sig selv; Jeg ville ikke bruge det sprog."

For ikke at krænke kausalitet, skal superpositioner uden for det sorte hul dekoheres med den maksimalt mulige hastighed, som en hypotetisk observatør inde i det sorte hul kunne indsamle information om dem. "Det ser ud til at pege på et nyt princip om tyngdekraft, måling og kvantemekanik," sagde Gralla. "Du forventer ikke, at det sker mere end 100 år efter tyngdekraften og kvantemekanikken blev formuleret."

Spændende nok vil denne form for dekohærens forekomme overalt, hvor der er en horisont, der kun tillader information at rejse i én retning, hvilket skaber potentialet for kausalitetspardokser. Kanten af ​​det kendte univers, kaldet den kosmologiske horisont, er et andet eksempel. Eller overvej "Rindler-horisonten", som danner sig bag en iagttager, der kontinuerligt accelererer og nærmer sig lysets hastighed, så lysstråler ikke længere kan hamle op med dem. Alle disse "dræbende horisonter" (opkaldt efter den tyske matematiker fra slutningen af ​​19- og begyndelsen af ​​det 20. århundrede Wilhelm Killing) får kvantesuperpositioner til at dekohere. "Disse horisonter ser dig virkelig på nøjagtig samme måde," sagde Satishchandran.

Præcis hvad det betyder for kanten af ​​det kendte univers at se alt inde i universet er ikke helt klart. "Vi forstår ikke den kosmologiske horisont," sagde Lupsasca. "Det er super fascinerende, men meget sværere end sorte huller."

Under alle omstændigheder, ved at opstille tankeeksperimenter som dette, hvor tyngdekraft og kvanteteori kolliderer, håber fysikere at lære om adfærden af ​​en samlet teori. "Dette giver os sandsynligvis nogle flere ledetråde om kvantetyngdekraften," sagde Wald. For eksempel kan den nye effekt hjælpe teoretikere til at forstå, hvordan sammenfiltring er relateret til rum-tid.

"Disse effekter skal være en del af den endelige historie om kvantetyngdekraften," sagde Lupsasca. »Skal de nu være et afgørende spor på vejen til at få indsigt i den teori? Det er værd at undersøge."

Det deltagende univers

Efterhånden som videnskabsmænd fortsætter med at lære om dekohærens i alle dens former, bliver Wheelers koncept om det deltagende univers tydeligere, sagde Danielson. Alle partikler i universet, ser det ud til, er i en subtil superposition, indtil de bliver observeret. Bestemthed opstår gennem interaktioner. "Det er noget af det, jeg tror, ​​Wheeler havde i tankerne," sagde Danielson.

Og opdagelsen af, at sorte huller og andre Killing-horisonter observerer alt, hele tiden, "uanset om du kan lide det eller ej," er "mere stemningsfuldt" for det deltagende univers, end de andre typer af dekohærens er, sagde forfatterne.

Ikke alle er klar til at købe Wheelers filosofi i stor skala. "Ideen om, at universet observerer sig selv? Det lyder lidt Jedi for mig," sagde Lupsasca, som ikke desto mindre er enig i, at "alt observerer sig selv hele tiden gennem interaktioner."

"Poetisk set kunne man tænke på det på den måde," sagde Carney. "Personligt vil jeg bare sige, at tilstedeværelsen af ​​horisonten betyder, at markerne omkring den kommer til at sidde fast i horisonten på en virkelig interessant måde."

Da Wheeler første gang tegnede det "store U", da Wald var studerende i 1970'erne, tænkte Wald ikke meget over det. "Wheelers idé slog mig som ikke så solidt funderet," sagde han.

Og nu? "Mange af de ting, han gjorde, var entusiasme og nogle vage ideer, som senere viste sig at være virkelig på banen," sagde Wald og bemærkede, at Wheeler forventede Hawking-stråling længe før effekten blev beregnet.

"Han så sig selv som at holde et lampelys frem for at oplyse mulige stier, som andre mennesker kunne følge."