Η κβαντική υπέρθεση δεν είναι μόνο μια ιδιότητα των υποατομικών σωματιδίων αλλά και των πιο ογκωδών αντικειμένων στο σύμπαν. Αυτό είναι το συμπέρασμα τεσσάρων θεωρητικών φυσικών στην Αυστραλία και τον Καναδά, οι οποίοι υπολόγισαν την υποθετική απόκριση ενός ανιχνευτή σωματιδίων που βρίσκεται σε κάποια απόσταση από μια μαύρη τρύπα. Οι ερευνητές λένε ότι ο ανιχνευτής θα έβλεπε νέα σημάδια υπερτιθέμενων χωροχρόνων, υπονοώντας ότι η μαύρη τρύπα μπορεί να έχει δύο διαφορετικές μάζες ταυτόχρονα.
Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν εξαιρετικά ογκώδη αντικείμενα όπως τα αστέρια καταρρέουν σε μια ιδιομορφία - ένα σημείο άπειρης πυκνότητας. Το βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο μεγάλο που τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από τους συμπλέκτες της, ούτε καν το φως. Αυτό δημιουργεί μια σφαιρική περιοχή χώρου γύρω από τη μοναδικότητα εντελώς αποκομμένη από το υπόλοιπο σύμπαν και οριοθετημένη από αυτό που είναι γνωστό ως ορίζοντας γεγονότων.
Ένας ενεργός τομέας έρευνας στη φυσική των μαύρων τρυπών επιδιώκει να αναπτύξει μια συνεπή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Αυτός είναι ένας σημαντικός στόχος της θεωρητικής φυσικής που θα συμβιβάσει την κβαντική μηχανική και τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Ειδικότερα, εξετάζοντας τις μαύρες τρύπες στην κβαντική υπέρθεση, οι φυσικοί ελπίζουν να αποκτήσουν γνώσεις για την κβαντική φύση του χωροχρόνου.
Ανιχνευτής Unruh–deWitt
Στο τελευταία εργασία, αναφέρεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, Τζόσουα Φου και Μαγδαληνή Ζυχ του Πανεπιστημίου του Κουίνσλαντ μαζί με Cemile Arabaci και Robert Mann στο Πανεπιστήμιο του Waterloo περιγράφουν αυτό που περιγράφουν ως ένα νέο επιχειρησιακό πλαίσιο για τη μελέτη των υπερθέσεων χωροχρόνου. Αντί να χρησιμοποιούν μια προσέγγιση «από πάνω προς τα κάτω» για την κβαντοποίηση της γενικής σχετικότητας, εξετάζουν τις επιπτώσεις της κβαντικής κατάστασης μιας μαύρης τρύπας στη συμπεριφορά μιας συγκεκριμένης φυσικής συσκευής που ονομάζεται ανιχνευτής Unruh-deWitt.
Αυτή είναι μια υποθετική συσκευή που περιλαμβάνει ένα σύστημα δύο καταστάσεων, όπως ένα σωματίδιο σε ένα κουτί, συζευγμένο με ένα κβαντικό πεδίο. Όταν βρίσκεται σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας και εκτίθεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία της σωστής συχνότητας, το σύστημα μεταβαίνει στην υψηλότερη κατάστασή του και καταγράφει ένα «κλικ».
Αυτό το είδος ανιχνευτή μπορεί θεωρητικά να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση Ακτινοβολία Unruh, ένα θερμικό λουτρό σωματιδίων που προβλέπεται να εμφανιστεί από το κβαντικό κενό σε έναν παρατηρητή που επιταχύνεται στο διάστημα. Στο σενάριο που παρουσιάζεται στη νέα έρευνα, θα αποτυπωνόταν Ακτινοβολία Hawking. Αυτή είναι η ακτινοβολία που προβλέπεται να δημιουργηθεί όταν ζεύγη εικονικών σωματιδίων-αντισωματιδίων μέσα στο κβαντικό κενό διασπώνται στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας – το αντισωματίδιο στη συνέχεια εξαφανίζεται στο κενό και το σωματίδιο εκπέμπεται στον περιβάλλοντα χώρο.
Στο σκεπτικό τους πείραμα, το κουαρτέτο οραματίζεται έναν ανιχνευτή Unruh-deWitt που βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο έξω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, με τη σταθερή θέση του ανιχνευτή να ενεργοποιείται από μια επιτάχυνση μακριά από τη μαύρη τρύπα που εκπέμπει την ακτινοβολία Hawking. Οι ερευνητές εξετάζουν την επίδραση μιας υπέρθεσης της μάζας της μαύρης τρύπας στην έξοδο αυτού του ανιχνευτή.
Υπέρθεση αποστάσεων
Όπως εξηγούν, οι δύο μάζες δίνουν διαφορετικές λύσεις στις εξισώσεις πεδίου της γενικής σχετικότητας και ως εκ τούτου σε διακριτούς χωροχρόνους. Η προκύπτουσα υπέρθεση χωροχρόνων με τη σειρά της αφήνει τον ανιχνευτή σε μια υπέρθεση αποστάσεων από τον ορίζοντα γεγονότων, δημιουργώντας αυτό που είναι στην πραγματικότητα ένα συμβολόμετρο του οποίου οι βραχίονες συνδέονται με μία από τις μάζες της μαύρης τρύπας. Η πιθανότητα να κάνει κλικ ο ανιχνευτής εξαρτάται από τις μάζες που υπάρχουν στην υπέρθεση.
Κάνοντας τους υπολογισμούς για μια σχετικά απλή μαύρη τρύπα που περιγράφεται σε δύο χωρικές διαστάσεις από τη διατύπωση Banados–Teitelboim–Zanelli, οι φυσικοί έλαβαν ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα. Σχεδίασαν την πιθανότητα ανίχνευσης ενός σωματιδίου που εκπέμπεται από τη μαύρη τρύπα ως συνάρτηση της τετραγωνικής ρίζας των αναλογιών μάζας υπέρθεσης και βρήκαν αιχμηρές κορυφές όταν αυτές οι τιμές ήταν ίσες με 1/n, με n όντας ακέραιος αριθμός.
Μπλεγμένη ακτινοβολία Hawking εντοπίστηκε σε ανάλογη μαύρη τρύπα
Οι ερευνητές αποδίδουν αυτή τη συμπεριφορά σε εποικοδομητική παρεμβολή μεταξύ της ακτινοβολίας στους βραχίονες του συμβολόμετρου που αντιστοιχούν στις μάζες των μαύρων τρυπών που είχε προβλέψει ο Αμερικανο-Ισραηλινός φυσικός Jacob Bekenstein τη δεκαετία του 1970. Έδειξε ότι η επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας – και επομένως η μάζα της – είναι αδιαβατική αναλλοίωτη. Αυτή είναι μια φυσική ιδιότητα που παραμένει σταθερή όταν ασκείται αργά και η οποία έχει ως αποτέλεσμα την κβαντοποίηση της μάζας.
«Αυτό το αποτέλεσμα παρέχει ανεξάρτητη υποστήριξη για την εικασία του Bekenstein», γράφουν οι ερευνητές Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, «που καταδεικνύει πώς η πιθανότητα διέγερσης του ανιχνευτή μπορεί να αποκαλύψει μια γνήσια κβαντική-βαρυτική ιδιότητα μιας κβαντικής μαύρης τρύπας».
Οι τέσσερις φυσικοί τονίζουν ότι το αποτέλεσμα προέκυψε από τους υπολογισμούς τους χωρίς να υποθέσουν ότι η μάζα της μαύρης τρύπας έπρεπε να εμπίπτει στις διακριτές ζώνες που προβλέπονται από την εικασία του Bekenstein. Προσθέτουν ότι η τεχνική τους θα μπορούσε να επεκταθεί σε πιο σύνθετες περιγραφές μαύρων οπών σε τρεις χωρικές διαστάσεις, οι οποίες λένε ότι θα παρείχαν πρόσθετες γνώσεις σχετικά με τις επιπτώσεις της κβαντικής βαρύτητας στο σύμπαν μας.
