La superposición cuántica no es solo una propiedad de las partículas subatómicas sino también de los objetos más masivos del universo. Esa es la conclusión de cuatro físicos teóricos de Australia y Canadá que calcularon la respuesta hipotética de un detector de partículas colocado a cierta distancia de un agujero negro. Los investigadores dicen que el detector vería nuevos signos de espacio-tiempo superpuestos, lo que implica que el agujero negro puede tener dos masas diferentes simultáneamente.
Los agujeros negros se forman cuando objetos extremadamente masivos como las estrellas colapsan en una singularidad: un punto de densidad infinita. El campo gravitatorio de un agujero negro es tan grande que nada puede escapar de sus garras, ni siquiera la luz. Esto crea una región esférica de espacio alrededor de la singularidad completamente aislada del resto del universo y delimitada por lo que se conoce como un horizonte de eventos.
Un área activa de investigación en la física de los agujeros negros busca desarrollar una teoría consistente de la gravedad cuántica. Este es un objetivo importante de la física teórica que reconciliaría la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad de Einstein. En particular, al considerar los agujeros negros en superposición cuántica, los físicos esperan obtener información sobre la naturaleza cuántica del espacio-tiempo.
Detector Unruh-deWitt
En Ultimo trabajo, reportado en Physical Review Letters, Josué Foo y Magdalena Zych de la Universidad de Queensland junto con Cemile Arabaci y Robert Mann en la Universidad de Waterloo describen lo que describen como un nuevo marco operativo para estudiar las superposiciones de espacio-tiempo. En lugar de utilizar un enfoque "de arriba hacia abajo" para cuantificar la relatividad general, consideran los efectos del estado cuántico de un agujero negro en el comportamiento de un dispositivo físico específico llamado detector Unruh-deWitt.
Este es un dispositivo hipotético que comprende un sistema de dos estados, como una partícula en una caja, acoplado a un campo cuántico. Cuando está en su estado de baja energía y se expone a la radiación electromagnética de la frecuencia adecuada, el sistema salta a su estado superior y registra un "clic".
En teoría, este tipo de detector se puede utilizar para medir Radiación sin ruh, un baño de calor de partículas que se predice que aparecerán desde el vacío cuántico a un observador que está acelerando a través del espacio. En el escenario presentado en la nueva investigación, en cambio, capturaría Radiación de Hawking. Esta es la radiación que se predice que se creará cuando los pares virtuales de partículas y antipartículas dentro del vacío cuántico se desgarren en el horizonte de eventos de un agujero negro: la antipartícula luego desaparecerá en el vacío y la partícula se emitirá en el espacio circundante.
En su experimento mental, el cuarteto imagina un detector Unruh-deWitt ubicado en un punto específico fuera del horizonte de eventos de un agujero negro, con la posición fija del detector habilitada por una aceleración que se aleja del agujero negro que produce la radiación de Hawking. Los investigadores consideran el efecto de una superposición de la masa del agujero negro en la salida de ese detector.
Superposición de distancias
Como explican, las dos masas producen diferentes soluciones a las ecuaciones de campo de la relatividad general y, por lo tanto, distintos espacios-tiempos. La superposición resultante de espacio-tiempo, a su vez, deja al detector en una superposición de distancias desde el horizonte de sucesos, creando lo que es en efecto un interferómetro cuyos brazos están asociados cada uno con una de las masas del agujero negro. La probabilidad de que el detector haga clic depende de qué masas estén presentes en la superposición.
Haciendo los cálculos para un agujero negro relativamente simple descrito en dos dimensiones espaciales por la formulación de Banados-Teitelboim-Zanelli, los físicos obtuvieron un resultado sorprendente. Trazaron la probabilidad de detectar una partícula emitida por el agujero negro en función de la raíz cuadrada de las relaciones de masa de superposición y encontraron picos agudos cuando esos valores eran iguales a 1/.n, con las n siendo un número entero.
Radiación entrelazada de Hawking detectada en un agujero negro analógico
Los investigadores atribuyen este comportamiento a la interferencia constructiva entre la radiación en los brazos del interferómetro que corresponden a las masas de los agujeros negros predichas por el físico estadounidense-israelí Jacob Bekenstein en la década de 1970. Demostró que el área de la superficie del horizonte de eventos de un agujero negro, y por lo tanto su masa, es un invariante adiabático. Esta es una propiedad física que permanece constante cuando se actúa lentamente y que resulta en la cuantización de la masa.
"Este resultado proporciona un apoyo independiente para la conjetura de Bekenstein", escriben los investigadores en Physical Review Letters, “demostrando cómo la probabilidad de excitación del detector puede revelar una propiedad genuinamente cuántica-gravitacional de un agujero negro cuántico”.
Los cuatro físicos enfatizan que el resultado surgió de sus cálculos sin asumir que la masa del agujero negro tenía que caer dentro de las bandas discretas predichas por la conjetura de Bekenstein. Agregan que su técnica podría extenderse a descripciones más complejas de agujeros negros en tres dimensiones espaciales, lo que, según dicen, proporcionaría información adicional sobre los efectos de la gravedad cuántica en nuestro universo.
