Kvantsuperpositsioon ei ole ainult subatomaarsete osakeste, vaid ka universumi kõige massiivsemate objektide omadus. Nii jõudsid neli Austraalia ja Kanada teoreetilist füüsikut, kes arvutasid mustast august teatud kaugusele paigutatud osakestedetektori hüpoteetilise reaktsiooni. Teadlaste sõnul näeks detektor uudseid märke üksteise peale asetatud aegruumist, mis viitab sellele, et mustal augul võib olla korraga kaks erinevat massi.
Mustad augud tekivad siis, kui ülimassiivsed objektid, nagu tähed, kukuvad kokku singulaarsuseks – lõpmatu tihedusega punktiks. Musta augu gravitatsiooniväli on nii suur, et selle küüsist ei pääse miski, isegi mitte valgus. See loob singulaarsuse ümber sfäärilise ruumipiirkonna, mis on ülejäänud universumist täielikult ära lõigatud ja piiratud sündmuste horisondiga.
Mustade aukude füüsika aktiivne uurimisvaldkond püüab välja töötada järjepideva kvantgravitatsiooni teooria. See on teoreetilise füüsika oluline eesmärk, mis ühildaks kvantmehaanika ja Einsteini üldise relatiivsusteooria. Eelkõige loodavad füüsikud kvantsuperpositsioonis mustade aukude kaalumisel saada ülevaate aegruumi kvantloomusest.
Unruh-deWitt detektor
aasta uusim töö, teatas aastal Physical Review Letters, Joshua Foo ja Magdalena Zych Queenslandi ülikoolist koos Cemile Arabaci ja Robert Mann Waterloo ülikoolis kirjeldatakse seda, mida nad kirjeldavad kui uut tööraamistikku aegruumi superpositsioonide uurimiseks. Selle asemel, et kasutada üldrelatiivsusteooria kvantifitseerimiseks ülalt-alla lähenemisviisi, võtavad nad selle asemel arvesse musta augu kvantseisundi mõju konkreetse füüsilise seadme, mida nimetatakse Unruh-deWitti detektoriks, käitumisele.
See on hüpoteetiline seade, mis sisaldab kahe oleku süsteemi, näiteks osakest kastis, mis on ühendatud kvantväljaga. Kui süsteem on madala energiatarbega olekus ja puutub kokku just õige sagedusega elektromagnetkiirgusega, hüppab süsteem kõrgemasse olekusse ja registreerib klõpsu.
Seda tüüpi detektorit saab teoreetiliselt kasutada mõõtmiseks Korramatu kiirgus, osakeste soojusvann, mis eeldatavasti ilmub kvantvaakumist läbi kosmose kiirendava vaatleja ette. Uues uurimistöös sätestatud stsenaariumi korral jäädvustaks see hoopis Hawkingi kiirgus. See on kiirgus, mis eeldatavasti tekib siis, kui kvantvaakumis olevad virtuaalsed osakeste ja osakeste vastased paarid rebitakse musta augu sündmuste horisondis osadeks – antiosake kaob seejärel tühjusesse ja osake kiirgab ümbritsevasse ruumi.
Oma mõtteeksperimendis nägi kvartett ette Unruh-deWitti detektorit, mis asub kindlas punktis väljaspool musta augu sündmuste horisonti, kusjuures detektori fikseeritud asendi võimaldab kiirendus mustast august eemale, mis annab Hawkingi kiirgust. Teadlased kaaluvad musta augu massi superpositsiooni mõju selle detektori väljundile.
Kauguste superpositsioon
Nagu nad selgitavad, annavad need kaks massi üldrelatiivsusteooria väljavõrranditele erinevad lahendused ja seega erinevad aegruumid. Sellest tulenev aegruumi superpositsioon jätab detektori omakorda sündmuste horisondist kauguste superpositsiooni, luues tegelikult interferomeetri, mille kõik käed on seotud ühe musta augu massiga. Tõenäosus, et detektor klõpsab, sõltub sellest, millised massid on superpositsioonis.
Tehes arvutusi suhteliselt lihtsa musta augu kohta, mida on kirjeldatud kahes ruumilises mõõtmes Banadose – Teitelboimi – Zanelli formulatsiooniga, said füüsikud silmatorkava tulemuse. Nad joonistasid musta augu emiteeritud osakese tuvastamise tõenäosuse superpositsiooni massisuhete ruutjuure funktsioonina ja leidsid teravad piigid, kui need väärtused olid võrdsed 1/nKoos n olles täisarv.
Hawkingi põimunud kiirgus, mis on märgatud analoogses mustas augus
Teadlased omistavad selle käitumise konstruktiivsele interferentsile interferomeetri harude kiirguse vahel, mis vastab Ameerika-Iisraeli füüsiku Jacob Bekensteini 1970. aastatel ennustatud mustade aukude massidele. Ta näitas, et musta augu sündmuste horisondi pindala – ja seega ka selle mass – on adiabaatiline invariant. See on füüsiline omadus, mis jääb konstantseks, kui sellele aeglaselt toimida ja mille tulemuseks on massi kvantifitseerimine.
"See tulemus toetab Bekensteini oletustele sõltumatut tuge," kirjutavad teadlased Physical Review Letters, "näitades, kuidas detektori ergastuse tõenäosus võib paljastada kvant-musta augu tõelise kvantgravitatsioonilise omaduse".
Neli füüsikut rõhutavad, et tulemus ilmnes nende arvutuste põhjal, eeldamata, et musta augu mass pidi jääma Bekensteini oletustega ennustatud diskreetsetesse ribadesse. Nad lisavad, et nende tehnikat saaks laiendada kolmes ruumilises mõõtmes olevate mustade aukude keerukamatele kirjeldustele, mis nende sõnul annaks täiendavat teavet kvantgravitatsiooni mõju kohta meie universumis.
