Kvanttisuperpositio ei ole vain subatomisten hiukkasten ominaisuus, vaan myös maailmankaikkeuden massiivisimpien esineiden ominaisuus. Tämä on neljän Australian ja Kanadan teoreettisen fyysikon johtopäätös, jotka laskivat jonkin matkan päässä mustasta aukosta sijoitetun hiukkasilmaisimen hypoteettisen vasteen. Tutkijat sanovat, että ilmaisin näkisi uusia merkkejä päällekkäisistä tila-aioista, mikä viittaa siihen, että mustalla aukolla voi olla kaksi eri massaa samanaikaisesti.
Mustat aukot syntyvät, kun äärimmäisen massiiviset esineet, kuten tähdet, romahtavat singulaariseksi - äärettömän tiheyden pisteeksi. Mustan aukon gravitaatiokenttä on niin suuri, ettei mikään pääse pakoon sen kynsistä, ei edes valo. Tämä luo singulaarisuuden ympärille pallomaisen avaruuden alueen, joka on täysin erillään muusta universumista ja jota rajoittaa niin kutsuttu tapahtumahorisontti.
Aktiivinen mustien aukkojen fysiikan tutkimusalue pyrkii kehittämään johdonmukaista kvanttigravitaation teoriaa. Tämä on teoreettisen fysiikan tärkeä tavoite, joka sovittaisi kvanttimekaniikan ja Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian. Erityisesti tarkastelemalla mustia aukkoja kvanttisuperpositiossa fyysikot toivovat saavansa käsityksen aika-avaruuden kvanttiluonteesta.
Unruh-deWitt ilmaisin
In viimeisin työ, raportoitu Fyysisen tarkastelun kirjaimet, Joshua Foo ja Magdalena Zych Queenslandin yliopistosta yhdessä Cemile Arabaci ja Robert Mann Waterloon yliopistossa hahmotellaan, mitä he kuvailevat uudeksi toimintakehykseksi avaruus-aika-superpositioiden tutkimiseen. Sen sijaan, että käyttäisivät "ylhäältä alas" -lähestymistapaa yleisen suhteellisuusteorian kvantisoimiseen, he sen sijaan harkitsevat mustan aukon kvanttitilan vaikutuksia tietyn fyysisen laitteen, jota kutsutaan Unruh-deWitt-detektoriksi, käyttäytymiseen.
Tämä on hypoteettinen laite, joka käsittää kahden tilan järjestelmän, kuten hiukkasen laatikossa, kytkettynä kvanttikenttään. Kun järjestelmä on matalaenergiatilassa ja alttiina juuri oikeantaajuiselle sähkömagneettiselle säteilylle, järjestelmä hyppää korkeampaan tilaan ja rekisteröi "napsahduksen".
Tällaista ilmaisinta voidaan teoriassa käyttää mittaamiseen Järjetöntä säteilyä, hiukkasten lämpökylpy, jonka ennustetaan ilmestyvän kvanttityhjiöstä avaruuden halki kiihtyvälle tarkkailijalle. Uudessa tutkimuksessa esitetyssä skenaariossa se sen sijaan kaappaisi Hawking-säteily. Tämä on säteilyä, jonka ennustetaan syntyvän, kun kvanttityhjiössä olevat virtuaaliset hiukkas-antihiukkas-parit repeytyvät mustan aukon tapahtumahorisontissa - antihiukkanen katoaa sitten tyhjiöön ja hiukkanen säteilee ympäröivään tilaan.
Ajatuskokeessaan kvartetti kuvittelee Unruh–deWitt-ilmaisimen, joka sijaitsee tietyssä kohdassa mustan aukon tapahtumahorisontin ulkopuolella, ja ilmaisimen kiinteän asennon mahdollistaa kiihtyvyys poispäin mustasta aukosta, joka tuottaa Hawking-säteilyä. Tutkijat tarkastelevat mustan aukon massan superpositiota ilmaisimen ulostuloon.
Etäisyyksien superpositio
Kuten he selittävät, nämä kaksi massaa antavat erilaiset ratkaisut yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöihin ja siten erilaiset tila-ajat. Tuloksena oleva aika-avaruussuperpositio puolestaan jättää ilmaisimen etäisyyksien superpositioon tapahtumahorisontista, mikä luo käytännössä interferometrin, jonka varret liittyvät yhteen mustan aukon massasta. Ilmaisimen napsahtamisen todennäköisyys riippuu superpositiossa esiintyvistä massoista.
Suorittamalla laskelmia suhteellisen yksinkertaisesta mustasta aukosta, joka on kuvattu Banados–Teitelboim–Zanelli-formulaation avulla, fyysikot saivat silmiinpistävän tuloksen. He piirsivät mustan aukon emittoiman hiukkasen havaitsemisen todennäköisyyden superpositiomassasuhteiden neliöjuuren funktiona ja löysivät teräviä huippuja, kun nämä arvot olivat yhtä suuria kuin 1/n, kanssa n on kokonaisluku.
Sotkeutunut Hawking-säteily havaittiin analogisessa mustassa aukossa
Tutkijat pitävät tätä käyttäytymistä interferometrin käsivarsien säteilyn rakentavana häiriönä, joka vastaa amerikkalais-israelilaisen fyysikon Jacob Bekensteinin 1970-luvulla ennustamia mustien aukkojen massoja. Hän osoitti, että mustan aukon tapahtumahorisontin pinta-ala – ja siten sen massa – on adiabaattinen invariantti. Tämä on fysikaalinen ominaisuus, joka pysyy vakiona, kun siihen vaikuttaa hitaasti ja joka johtaa massan kvantisoitumiseen.
"Tämä tulos tarjoaa riippumattoman tuen Bekensteinin olettamukselle", tutkijat kirjoittavat Fyysisen tarkastelun kirjaimet, "osoittaa kuinka ilmaisimen viritystodennäköisyys voi paljastaa kvanttimustan aukon aidon kvanttigravitaatioominaisuuden".
Neljä fyysikkoa painottavat, että tulos syntyi heidän laskelmistaan olettamatta, että mustan aukon massan täytyi osua Bekensteinin oletuksen ennustamien diskreettien vyöhykkeiden sisälle. He lisäävät, että heidän tekniikkaansa voitaisiin laajentaa monimutkaisempiin kuvauksiin mustista aukoista kolmessa avaruudellisessa ulottuvuudessa, mikä heidän mukaansa antaisi lisätietoa kvanttigravitaation vaikutuksista universumissamme.
