Teadlased väidavad, et mustad augud hävitavad lõpuks kõik kvantriigid

Princetoni ülikoolis 1970. aastate alguses võis kuulsat teoreetilist füüsikut John Wheeleri märgata seminaridel või improviseeritud koridoris peetud aruteludel, mis joonistasid suurt U-tähe. Tähe vasakpoolne ots tähistas universumi algust, kus kõik oli ebakindel ja kõik kvantvõimalused toimusid samal ajal. Tähe parempoolne ots, mida mõnikord kaunistas silm, kujutas vaatlejat, kes vaatab ajas tagasi, tuues nii U-tähe vasaku poole.

Selles "osalusuniversumis", nagu Wheeler seda nimetas, laienes ja jahtus kosmos ümber U, moodustades struktuure ja lõpuks luues vaatlejaid, nagu inimesed ja mõõteseadmed. Varasemale universumile tagasi vaadates muutsid need vaatlejad selle kuidagi tõeliseks.

"Ta ütles selliseid asju nagu" Ükski nähtus pole tõeline nähtus, kuni see pole vaadeldud nähtus," ütles Robert M. Wald, Chicago ülikooli teoreetiline füüsik, kes oli sel ajal Wheeleri doktorant.

Nüüd, uurides, kuidas kvantteooria käitub musta augu horisondil, on Wald ja tema kaastöötajad arvutanud välja uue efekti, mis viitab Wheeleri osalusuniversumile. Nad on leidnud, et ainuüksi musta augu olemasolust piisab, et muuta osakese udune „superpositsioon” – mitmes potentsiaalses seisundis olek – täpselt määratletud reaalsuseks. "See tekitab idee, et need mustad augud jälgivad," ütles kaasautor Gautam Satishchandran, Princetoni teoreetiline füüsik.

"See, mille oleme leidnud, võib olla [osalusuniversumi] kvantmehaaniline teostus, kuid kus aegruum ise mängib vaatleja rolli," ütles ta. Daine Danielson, kolmas autor, samuti Chicagos.

Teoreetikud arutavad nüüd, mida nendest valvsatest mustadest aukudest välja lugeda. "See näib ütlevat meile midagi sügavat selle kohta, kuidas gravitatsioon mõjutab mõõtmist kvantmehaanikas," ütles ta. Sam Gralla, Arizona ülikooli teoreetiline astrofüüsik. Kuid kas see osutub kasulikuks kvantgravitatsiooni täieliku teooria poole püüdlevatele teadlastele, on veel keegi arvata.

Mõju on üks paljudest, mille füüsikud on viimasel kümnendil avastanud, uurides, mis juhtub, kui kvantteooria kombineeritakse madala energiaga gravitatsiooniga. Näiteks on teoreetikutel olnud suur edu sellele mõeldes Hawkingi kiirgus, mis põhjustab mustade aukude aeglaselt aurustumist. "Peened efektid, mida me varem polnud märganud, annavad meile piiranguid, millest saame näpunäiteid kvantgravitatsiooni suunas liikumise kohta," ütles ta. Alex Lupsasca, Vanderbilti ülikooli teoreetiline füüsik, kes ei osalenud uues uurimistöös.

Need tähelepanelikud mustad augud näivad tekitavat mõju, mis on "väga vahistav," ütles Lupsasca, "sest tundub, et see on kuidagi sügav."

Mustad augud ja superpositsioonid

Et mõista, kuidas must auk võiks universumit jälgida, alustage väikesest. Mõelge klassikalisele kahe piluga katsele, kus kvantosakesed lastakse tõkke kahe pilu suunas. Need, mis läbivad, tuvastatakse seejärel teisel küljel asuva ekraani abil.

Alguses tundub, et iga liikuv osake ilmub ekraanile juhuslikult. Kuid kui rohkem osakesi läbib pilusid, tekib heledate ja tumedate triipude muster. See muster viitab sellele, et iga osake käitub nagu lained, mis läbivad korraga mõlemat pilu. Ribad tulenevad lainete tippude ja sügavuste vahel, mis kas liidavad või tühistavad üksteist – seda nähtust nimetatakse interferentsiks.

Nüüd lisage detektor, et mõõta, kumba kahest pilust osake läbib. Heledate ja tumedate triipude muster kaob. Vaatlus muudab osakese olekut - selle laineline olemus kaob täielikult. Füüsikud ütlevad, et tuvastusaparaadiga kogutud teave "lahutab" kvantvõimalused kindlaks reaalsuseks.

Oluline on see, et teie detektor ei pea olema pilude lähedal, et aru saada, millise tee osake läbis. Näiteks laetud osake kiirgab pikamaa elektrivälja, millel võib olla veidi erinev tugevus sõltuvalt sellest, kas see läbis parem- või vasakpoolse pilu. Selle välja kaugelt mõõtmine võimaldab teil siiski koguda teavet selle kohta, millise tee osake läbis, ja põhjustab seega dekoherentsi.

2021. aastal Wald, Satishchandran ja Danielson uurisid paradoksi, mis tekkis siis, kui hüpoteetilised vaatlejad sel viisil teavet koguvad. Nad kujutasid ette eksperimentaatorit nimega Alice, kes loob superpositsioonis osakese. Hiljem otsib ta häiremustrit. Osake avaldab häireid ainult siis, kui see pole Alice'i jälgimise ajal ühegi välissüsteemiga liiga takerdunud.

Seejärel tuleb Bob, kes püüab mõõta osakese asukohta kaugelt, mõõtes osakeste kaugväljasid. Põhjusliku seose reeglite kohaselt ei tohiks Bob Alice'i katse tulemust mõjutada, kuna katse peaks olema läbi selleks ajaks, kui Bobi signaalid Alice'ile jõuavad. Kvantmehaanika reeglite kohaselt aga, kui Bob osakest edukalt mõõdab, takerdub see temaga ja Alice ei näe interferentsimustrit.

Kolmik arvutas rangelt, et Bobi tegevusest tingitud dekoherents on alati väiksem kui dekoherents, mille Alice loomulikult tekitaks tema kiiratava kiirguse tõttu (mis samuti takerdub osakesega). Nii et Bob ei saanud kunagi Alice'i katset lahti siduda, sest ta oleks selle juba ise lahti teinud. Kuigi selle paradoksi varasem versioon oli lahendati 2018. aastal Waldi ja erineva teadlaste meeskonna tehtud ümbriku tagumise arvutuse abil astus Danielson sammu edasi.

Ta esitas oma kaastöötajatele mõtteeksperimendi: "Miks ma ei saa [Bobi] detektorit musta augu taha panna?" Sellise seadistuse korral kiirgab väljaspool sündmuste horisonti superpositsioonis olev osake väljad, mis ületavad horisondi ja mille Bob tuvastab teisel pool, mustas augus. Detektor saab teavet osakese kohta, kuid kuna sündmuste horisont on "ühesuunaline pilet", ei saa ükski teave üle minna, ütles Danielson. "Bob ei saa Alice'i musta augu seest mõjutada, nii et sama dekoherents peab toimuma ka ilma Bobita," kirjutas meeskond e-kirjas. Quanta. Must auk ise peab superpositsiooni dekohereerima.

"Osaleva universumi poeetilisemas keeles jälgib horisont justkui superpositsioone," ütles Danielson.

Seda arusaama kasutades asusid nad välja töötama täpse arvutuse selle kohta, kuidas musta augu aegruum kvantsuperpositsioone mõjutab. sisse paber avaldati jaanuaris eelprintserveris arxiv.org, leidsid nad lihtsa valemi, mis kirjeldab kiirust, millega kiirgus ületab sündmuste horisondi ja põhjustab seega dekoherentsi. "See, et see mõju üldse oli, oli minu jaoks väga üllatav," ütles Wald.

Juuksed silmapiiril

Idee, et sündmuste horisondid koguvad teavet ja põhjustavad dekoherentsi, ei ole uus. 2016. aastal Stephen Hawking, Malcolm Perry ja Andrew Strominger kirjeldatud kuidas sündmuste horisondi ületavate osakestega võib kaasneda väga madala energiaga kiirgus, mis salvestab nende osakeste kohta teavet. Seda arusaama pakuti lahendusena mustade aukude teabe paradoksile, mis on Hawkingi varasema avastuse sügav tagajärg, et mustad augud kiirgavad kiirgust.

Probleem oli selles, et Hawkingi kiirgus tühjendab mustadest aukudest energiat, mistõttu need aja jooksul täielikult aurustuvad. See protsess näib hävitavat kogu musta auku sattunud teabe. Kuid seda tehes oleks see vastuolus kvantmehaanika põhijoonega: universumis olevat teavet ei saa luua ega hävitada.

Kolmiku pakutud madala energiatarbega kiirgus pääseks sellest mööda, võimaldades teatud teabe jaotada musta augu ümber olevas halos ja põgeneda. Teadlased nimetasid teaberikka halo "pehmeks juuksed".

Wald, Satishchandran ja Danielson ei uurinud musta augu teabe paradoksi. Kuid nende töö kasutab pehmeid juukseid. Täpsemalt näitasid nad, et pehmed juuksed ei teki mitte ainult siis, kui osakesed kukuvad üle horisondi, vaid ka siis, kui osakesed väljaspool musta auku lihtsalt liiguvad teise kohta. Igasugune väljas olev kvantsuperpositsioon takerdub silmapiiril pehmete karvadega, mis põhjustab nende tuvastatud dekoherentsiefekti. Sel moel salvestatakse superpositsioon omamoodi "mäluna" silmapiiril.

Arvutus on "pehmete juuste konkreetne teostus", ütles Daniel Carney, teoreetiline füüsik Lawrence Berkeley riiklikus laboris. "See on lahe paber. See võib olla väga kasulik konstruktsioon selle idee üksikasjalikuks toimimiseks.

Kuid Carney ja mitmete teiste kvantgravitatsiooniuuringute esirinnas töötavate teoreetikute jaoks pole see dekoherentsiefekt sugugi üllatav. Elektromagnetilise jõu ja gravitatsiooni pikamaa olemus tähendab, et "on raske hoida midagi ülejäänud universumist eraldatuna", ütles. Daniel Harlow, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teoreetiline füüsik.

Täielik dekoherentsus

Autorid vaielda et sellises dekoherentsuses on midagi ainulaadselt “salakavalat”. Tavaliselt saavad füüsikud dekoherentsi kontrollida, kaitstes oma katset väliskeskkonna eest. Näiteks vaakum eemaldab lähedalasuvate gaasimolekulide mõju. Kuid miski ei saa gravitatsiooni kaitsta, nii et katset ei saa kuidagi isoleerida gravitatsiooni pikamaamõju eest. "Lõpuks dekohereeritakse iga superpositsioon täielikult," ütles Satishchandran. "Sellest ei saa kuidagi mööda."

Seetõttu leiavad autorid, et mustade aukude horisondid võtavad dekoherentsis aktiivsema rolli, kui varem teada oli. "Universumi enda geomeetria, erinevalt selles sisalduvast ainest, vastutab dekoherentsi eest," kirjutasid nad e-kirjas. Quanta.

Carney vaidleb sellele tõlgendusele vastu, öeldes, et uut dekoherentsiefekti võib mõista ka elektromagnet- või gravitatsiooniväljade tagajärjena koos põhjusliku seose reeglitega. Ja erinevalt Hawkingi kiirgusest, kus musta augu horisont aja jooksul muutub, pole sel juhul horisondil "mingit dünaamikat", ütles Carney. „Horisont ei tee iseenesest midagi; Ma ei kasutaks seda keelt."

Põhjuslikkuse mitte rikkumiseks tuleb mustast august väljapoole jäävaid superpositsioone dekohereerida maksimaalse võimaliku kiirusega, et mustas augus olev hüpoteetiline vaatleja saaks nende kohta teavet koguda. "Tundub, et see viitab mõnele uuele põhimõttele gravitatsiooni, mõõtmise ja kvantmehaanika kohta, " ütles Gralla. "Te ei eelda, et see juhtub rohkem kui 100 aastat pärast gravitatsiooni ja kvantmehaanika sõnastamist."

Huvitaval kombel toimub selline dekoherentsus kõikjal, kus on horisont, mis võimaldab teabel liikuda ainult ühes suunas, luues põhjuslikkuse paradokside potentsiaali. Veel üks näide on teadaoleva universumi serv, mida nimetatakse kosmoloogiliseks horisondiks. Või mõelge "Rindleri horisontile", mis tekib vaatleja taha, kes pidevalt kiirendab ja läheneb valguse kiirusele, nii et valguskiired ei saa neile enam järele jõuda. Kõik need "tapvad horisondid" (nimetatud 19. sajandi lõpu – 20. sajandi alguse saksa matemaatiku järgi Wilhelm Killing) põhjustavad kvantsuperpositsioonide dekohereerumist. "Need silmapiirid jälgivad teid täpselt samamoodi," ütles Satishchandran.

See, mida täpselt tähendab teadaoleva universumi serva jaoks kõike universumis leiduvat jälgida, pole päris selge. "Me ei mõista kosmoloogilist horisonti," ütles Lupsasca. "See on ülipõnev, kuid palju raskem kui mustad augud."

Igal juhul loodavad füüsikud selliste mõtteeksperimentide esitamisega, kus põrkuvad gravitatsiooni ja kvantteooria, õppida tundma ühtse teooria käitumist. "See annab meile tõenäoliselt rohkem vihjeid kvantgravitatsiooni kohta, " ütles Wald. Näiteks võib uus efekt aidata teoreetikutel mõista, kuidas takerdumine on seotud aegruumiga.

"Need mõjud peavad olema osa kvantgravitatsiooni viimasest loost, " ütles Lupsasca. "Kas need on nüüd oluline vihje selle teooria kohta ülevaate saamiseks? Tasub uurida."

Osalev universum

Kuna teadlased õpivad jätkuvalt tundma dekoherentsi selle kõigis vormides, muutub Wheeleri osalusuniversumi kontseptsioon selgemaks, ütles Danielson. Näib, et kõik osakesed universumis on peenes superpositsioonis, kuni neid vaadeldakse. Määratlus ilmneb interaktsioonide kaudu. "Ma arvan, et Wheeler pidas seda silmas," ütles Danielson.

Autorid ütlesid, et avastus, et mustad augud ja muud tapmishorisondid jälgivad kõike, kogu aeg, „meeldib see teile või mitte”, on osalusuniversumit rohkem esile kutsuv kui muud tüüpi dekoherents.

Mitte igaüks pole valmis Wheeleri filosoofiat suures plaanis ostma. "Mõte, et universum jälgib ennast? See kõlab minu jaoks pisut jedi," ütles Lupsasca, kes on siiski nõus, et "kõik jälgib ennast kogu aeg läbi suhtlemise."

"Poeetiliselt võiks seda nii mõelda," ütles Carney. "Isiklikult ütleksin lihtsalt, et horisondi olemasolu tähendab seda, et selle ümber elavad põllud jäävad silmapiirile väga huvitaval viisil kinni."

Kui Wheeler tõmbas 1970. aastatel esimest korda suure U-tähe, kui Wald oli üliõpilane, ei mõelnud Wald sellele palju. "Wheeleri idee ei tundunud mulle nii kindlalt põhjendatud," ütles ta.

Ja nüüd? "Paljud asjad, mida ta tegi, oli entusiasm ja mõned ähmased ideed, mis hiljem osutusid tõeliseks," ütles Wald, märkides, et Wheeler ootas Hawkingi kiirgust juba ammu enne selle mõju arvutamist.

"Ta nägi ennast lambivalgusena, et valgustada võimalikke teid, mida teised inimesed võiksid järgida."