محاسبات جدید نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند حالت‌های ابرپوزیشن کوانتومی خود را آشکار کنند

برهم نهی کوانتومی فقط ویژگی ذرات زیراتمی نیست، بلکه یکی از پرجرم ترین اجرام در جهان است. این نتیجه چهار فیزیکدان نظری در استرالیا و کانادا است که پاسخ فرضی یک آشکارساز ذره ای را که در فاصله ای از یک سیاهچاله قرار گرفته است، محاسبه کردند. محققان می گویند که آشکارساز نشانه های جدیدی از فضا-زمان های روی هم قرار گرفته را می بیند که نشان می دهد سیاهچاله ممکن است دو جرم مختلف به طور همزمان داشته باشد.

سیاه‌چاله‌ها زمانی شکل می‌گیرند که اجرام بسیار عظیمی مانند ستاره‌ها تا حد تکینگی فرو می‌ریزند - نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت. میدان گرانشی یک سیاهچاله آنقدر زیاد است که هیچ چیز حتی نور نمی تواند از چنگال آن فرار کند. این یک ناحیه کروی از فضا را در اطراف تکینگی ایجاد می کند که کاملاً از بقیه جهان جدا شده و با آنچه به عنوان افق رویداد شناخته می شود محدود می شود.

یک حوزه فعال تحقیقاتی در زمینه فیزیک سیاهچاله ها به دنبال توسعه یک نظریه سازگار از گرانش کوانتومی است. این یکی از اهداف مهم فیزیک نظری است که مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت عام اینشتین را با هم آشتی می دهد. به طور خاص، با در نظر گرفتن سیاهچاله ها در برهم نهی کوانتومی، فیزیکدانان امیدوارند که بینشی در مورد ماهیت کوانتومی فضا-زمان به دست آورند.

آشکارساز Unruh-deWitt

در آخرین کار، در گزارش شده است Physical Review Letters به, جاشوا فو و ماگدالنا زیچ از دانشگاه کوئینزلند همراه با جمیله عرباسی و رابرت مان در دانشگاه واترلو آنچه را که به عنوان یک چارچوب عملیاتی جدید برای مطالعه برهم‌نهی‌های فضا-زمان توصیف می‌کنند، تشریح می‌کنند. به جای استفاده از رویکرد "بالا به پایین" برای کمی کردن نسبیت عام، آنها در عوض اثرات حالت کوانتومی سیاهچاله را بر رفتار یک دستگاه فیزیکی خاص به نام آشکارساز Unruh-deWitt در نظر می گیرند.

این یک دستگاه فرضی است که شامل یک سیستم دو حالته است، مانند یک ذره در یک جعبه، همراه با یک میدان کوانتومی. هنگامی که سیستم در حالت کم انرژی خود قرار می گیرد و در معرض تابش الکترومغناطیسی با فرکانس مناسب قرار می گیرد، سیستم به حالت بالاتر خود می پرد و یک "کلیک" ثبت می کند.

این نوع آشکارساز در تئوری می تواند برای اندازه گیری استفاده شود تشعشعات Unruhحمام گرمایی از ذرات که پیش بینی می شود از خلاء کوانتومی به ناظری که در فضا شتاب می گیرد ظاهر شود. در سناریویی که در تحقیق جدید ارائه شده است، در عوض آن را ضبط می کند تابش هاوکینگ. این تابشی است که پیش‌بینی می‌شود زمانی ایجاد شود که جفت‌های ذره-پادذره مجازی در خلاء کوانتومی در افق رویداد سیاه‌چاله از هم جدا شوند - سپس پادذره در فضای خالی ناپدید شده و ذره به فضای اطراف گسیل می‌شود.

در آزمایش فکری خود، کوارتت یک آشکارساز Unruh-deWitt را در یک نقطه خاص در خارج از افق رویداد سیاهچاله، با موقعیت ثابت آشکارساز با شتاب دور از سیاه‌چاله که تابش هاوکینگ تولید می‌کند، فعال می‌کند. محققان تأثیر برهم نهی جرم سیاهچاله را بر خروجی آن آشکارساز در نظر می گیرند.

برهم نهی فاصله ها

همانطور که توضیح می دهند، دو جرم راه حل های متفاوتی برای معادلات میدانی نسبیت عام و در نتیجه فضا-زمان های متمایز به دست می دهند. برهم نهی حاصل از فضا-زمان به نوبه خود آشکارساز را در برهم نهی فواصل از افق رویداد رها می کند و در واقع یک تداخل سنج ایجاد می کند که بازوهای آن هر کدام با یکی از توده های سیاهچاله مرتبط هستند. احتمال کلیک آشکارساز به این بستگی دارد که کدام جرم در برهم نهی وجود دارد.

فیزیکدانان با انجام محاسبات برای یک سیاهچاله نسبتا ساده که در دو بعد فضایی توسط فرمول بندی Banados-Teitelboim-Zanelli توصیف شده است، به نتیجه قابل توجهی دست یافتند. آنها احتمال تشخیص ذره ای را که از سیاهچاله ساطع می شود به عنوان تابعی از ریشه دوم نسبت های جرمی برهم نهی ترسیم کردند و زمانی که این مقادیر برابر با 1 / بودند، قله های تیز پیدا کردند.n، با n یک عدد صحیح بودن

محققان این رفتار را به تداخل سازنده بین تابش در بازوهای تداخل سنج نسبت می دهند که مطابق با توده های سیاه چاله پیش بینی شده توسط فیزیکدان آمریکایی-اسرائیلی یاکوب بکنشتاین در دهه 1970 است. او نشان داد که مساحت سطح افق رویداد سیاهچاله – و در نتیجه جرم آن – یک متغیر آدیاباتیک است. این یک خاصیت فیزیکی است که وقتی به آرامی روی آن عمل می شود ثابت می ماند و منجر به کوانتیزه شدن جرم می شود.

محققان در این مقاله می نویسند: «این نتیجه از حدس بکنشتاین پشتیبانی مستقلی می کند Physical Review Letters به، "نشان دادن اینکه چگونه احتمال تحریک آشکارساز می تواند خاصیت گرانشی کوانتومی واقعی یک سیاهچاله کوانتومی را نشان دهد."

این چهار فیزیکدان تاکید می کنند که نتیجه از محاسبات آنها بدون این که فرض کنند جرم سیاهچاله باید در نوارهای گسسته پیش بینی شده توسط حدس بکنشتاین قرار گیرد، به دست آمد. آنها اضافه می کنند که تکنیک آنها می تواند به توصیف های پیچیده تر از سیاهچاله ها در سه بعد فضایی بسط داده شود، که به گفته آنها، بینش بیشتری در مورد اثرات گرانش کوانتومی در جهان ما ارائه می دهد.