Mustat aukot tuhoavat lopulta kaikki kvanttitilat, tutkijat väittävät

Princetonin yliopistossa 1970-luvun alussa kuuluisa teoreettinen fyysikko John Wheeler havaittiin seminaareissa tai improvisoiduissa käytäväkeskusteluissa, joissa piirrettiin suuri "U". Kirjeen vasen kärki edusti maailmankaikkeuden alkua, jossa kaikki oli epävarmaa ja kaikki kvanttimahdollisuudet tapahtuivat samaan aikaan. Kirjeen oikea kärki, toisinaan koristeltu silmällä, kuvasi tarkkailijaa katsomassa ajassa taaksepäin, mikä toi U:n vasemman puolen olemassaoloon.

Tässä "osallistuvassa universumissa", kuten Wheeler sitä kutsui, kosmos laajeni ja jäähtyi U:n ympärillä muodostaen rakenteita ja loi lopulta tarkkailijoita, kuten ihmisiä ja mittalaitteita. Tarkastellessaan varhaista universumia nämä tarkkailijat tekivät siitä jotenkin todellisen.

"Hän sanoisi sellaisia ​​asioita kuin "Mikään ilmiö ei ole todellinen ilmiö, ennen kuin se on havaittu ilmiö", sanoi Robert M. Wald, Chicagon yliopiston teoreettinen fyysikko, joka oli Wheelerin tohtoriopiskelija tuolloin.

Nyt tutkimalla kuinka kvanttiteoria käyttäytyy mustan aukon horisontissa, Wald ja hänen työtoverinsa ovat laskeneet uuden vaikutuksen, joka viittaa Wheelerin osallistuvaan universumiin. He ovat havainneet, että pelkkä mustan aukon läsnäolo riittää muuttamaan hiukkasen utuisen "superpositiota" - useissa mahdollisissa tiloissa olemisen - hyvin määritellyksi todellisuudeksi. "Se herättää ajatuksen, että nämä mustan aukon horisontit tarkkailevat", sanoi toinen kirjoittaja Gautam Satishchandran, teoreettinen fyysikko Princetonista.

"Se, minkä olemme löytäneet, saattaa olla [osallistuvan universumin] kvanttimekaaninen toteutus, mutta jossa aika-avaruus itse toimii havainnointivälineenä", sanoi. Daine Danielson, kolmas kirjoittaja, myös Chicagossa.

Teoreetikot keskustelevat nyt siitä, mitä näistä tarkkaavaisista mustista aukoista pitäisi lukea. "Tämä näyttää kertovan meille jotain syvällisesti siitä, miten painovoima vaikuttaa mittaukseen kvanttimekaniikan alalla", sanoi Sam Gralla, teoreettinen astrofyysikko Arizonan yliopistosta. Mutta onko tämä hyödyllistä tutkijoille, jotka pyrkivät kohti täydellistä kvanttigravitaation teoriaa, on vielä kukaan arvattavissa.

Vaikutus on yksi monista, joita fyysikot ovat paljastaneet viimeisen vuosikymmenen aikana, kun he tutkivat, mitä tapahtuu, kun kvanttiteoria yhdistetään painovoimaan alhaisilla energioilla. Esimerkiksi teoreetikot ovat onnistuneet ajattelemaan hyvin Hawking-säteily, mikä saa mustat aukot hitaasti haihtumaan. "Hienot vaikutukset, joita emme olleet varsinaisesti huomanneet ennen, antavat meille rajoitteita, joista voimme poimia vihjeitä siitä, kuinka edetä kohti kvanttipainovoimaa", sanoi Alex Lupsasca, teoreettinen fyysikko Vanderbiltin yliopistosta, joka ei ollut mukana uudessa tutkimuksessa.

Nämä tarkkaavaiset mustat aukot näyttävät tuottavan vaikutuksen, joka on "erittäin pysäyttävä", Lupsasca sanoi, "koska se tuntuu jotenkin syvältä."

Mustat aukot ja superpositiot

Aloita pienestä ymmärtääksesi, kuinka musta aukko voi tarkkailla maailmankaikkeutta. Ajatellaanpa klassista kaksoisrakokoetta, jossa kvanttihiukkasia ammutaan kohti kahta esteen rakoa. Ne, jotka kulkevat läpi, havaitaan sitten toisella puolella olevalla näytöllä.

Aluksi jokainen liikkuva hiukkanen näyttää ilmestyvän satunnaisesti näytölle. Mutta kun enemmän hiukkasia kulkee rakojen läpi, esiin tulee vaaleita ja tummia raitoja. Tämä kuvio viittaa siihen, että jokainen hiukkanen käyttäytyy kuin aallot, jotka kulkevat molempien rakojen läpi kerralla. Vyöhykkeet johtuvat aaltojen huipuista ja aallonpohjasta, jotka joko lisäävät yhteen tai kumoavat toisensa - ilmiötä kutsutaan interferenssiksi.

Lisää nyt ilmaisin mittaamaan, kumman kahdesta raosta hiukkanen kulkee. Vaaleiden ja tummien raitojen kuvio katoaa. Tarkkailu muuttaa hiukkasen tilaa - sen aaltomainen luonne katoaa kokonaan. Fyysikot sanovat, että havaintolaitteiston saama tieto "dekoheroi" kvanttimahdollisuudet määrätyksi todellisuudeksi.

Tärkeää on, että ilmaisimen ei tarvitse olla lähellä rakoja selvittääkseen, minkä reitin hiukkanen kulki. Esimerkiksi varautunut hiukkanen lähettää pitkän kantaman sähkökentän, jonka voimakkuus voi olla hieman erilainen riippuen siitä, menikö se oikean- vai vasemmanpuoleisen raon läpi. Tämän kentän mittaaminen kaukaa antaa silti mahdollisuuden kerätä tietoa siitä, minkä polun hiukkanen kulki ja aiheuttaa siten epäkoherenssia.

Vuonna 2021 Wald, Satishchandran ja Danielson tutkivat paradoksia, joka syntyi, kun hypoteettiset tarkkailijat keräävät tietoa tällä tavalla. He kuvittelivat kokeilijan nimeltä Alice, joka luo hiukkasen superpositiossa. Myöhemmin hän etsii häiriökuviota. Hiukkanen häiritsee vain, jos se ei ole sotkeutunut liiaksi mihinkään ulkopuoliseen järjestelmään, kun Alice tarkkailee sitä.

Sitten tulee Bob, joka yrittää mitata hiukkasen sijaintia kaukaa mittaamalla hiukkasen pitkän kantaman kenttiä. Syy-sääntöjen mukaan Bobin ei pitäisi pystyä vaikuttamaan Alicen kokeen lopputulokseen, koska kokeilun pitäisi olla ohi, kun Bobin signaalit saapuvat Alicelle. Kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan jos Bob kuitenkin mittaa hiukkasen onnistuneesti, se sotkeutuu häneen, eikä Alice näe häiriökuviota.

Kolmikko laski tiukasti, että Bobin toiminnasta johtuva dekoherenssi on aina pienempi kuin se dekoherenssi, jonka Alice luonnollisesti aiheuttaisi lähettämänsä säteilyn (joka myös sotkeutuu hiukkaseen) avulla. Joten Bob ei koskaan voinut purkaa Alicen kokeilua, koska hän olisi jo purkanut sen itse. Vaikka tämän paradoksin aikaisempi versio oli ratkaistu vuonna 2018 Waldin ja toisen tutkijaryhmän tekemällä takakuoren laskelmalla Danielson otti sen askeleen pidemmälle.

Hän esitti ajatuskokeen yhteistyökumppaneilleen: "Miksi en voi laittaa [Bobin] ilmaisinta mustan aukon taakse?" Tällaisessa asetelmassa tapahtumahorisontin ulkopuolella superpositiossa oleva hiukkanen säteilee kenttiä, jotka ylittävät horisontin ja Bob havaitsee ne toisella puolella, mustan aukon sisällä. Ilmaisin saa tietoa hiukkasesta, mutta koska tapahtumahorisontti on "yksisuuntainen lippu", mikään tieto ei voi palata takaisin, Danielson sanoi. "Bob ei voi vaikuttaa Aliceen mustan aukon sisältä, joten saman dekoherenssin täytyy tapahtua ilman Bobia", tiimi kirjoitti sähköpostissa. Quanta. Itse mustan aukon on purettava superpositio.

"Osallistuvan maailmankaikkeuden runollisemmalla kielellä on ikään kuin horisontti katselee superpositioita", Danielson sanoi.

Tämän näkemyksen avulla he ryhtyivät työskentelemään tarkan laskelman parissa siitä, kuinka mustan aukon aika-avaruus vaikuttaa kvanttisuperpositioihin. Sisään paperi ne julkaistiin preprint-palvelimella arxiv.org tammikuussa, ne päätyivät yksinkertaiseen kaavaan, joka kuvaa nopeutta, jolla säteily ylittää tapahtumahorisontin ja aiheuttaa siten dekoherenssia. "Se, että sillä oli vaikutusta, oli minusta hyvin yllättävää", Wald sanoi.

Hiukset Horisontissa

Ajatus siitä, että tapahtumahorisontit keräävät tietoa ja aiheuttavat dekoherenssia, ei ole uusi. Vuonna 2016 Stephen Hawking, Malcolm Perry ja Andrew Strominger on kuvattu kuinka tapahtumahorisontin yli kulkeviin hiukkasiin voi liittyä erittäin matalaenergiasäteilyä, joka tallentaa tietoa näistä hiukkasista. Tätä oivallusta ehdotettiin ratkaisuksi mustien aukkojen informaatioparadoksiin, joka on syvällinen seuraus Hawkingin aikaisemmasta löydöstä, jonka mukaan mustat aukot lähettävät säteilyä.

Ongelmana oli, että Hawking-säteily imee energiaa mustista aukoista, jolloin ne haihtuivat kokonaan ajan myötä. Tämä prosessi näyttää tuhoavan kaikki mustaan ​​aukkoon pudonneet tiedot. Mutta tehdessään niin, se olisi ristiriidassa kvanttimekaniikan peruspiirteen kanssa: universumin informaatiota ei voida luoda tai tuhota.

Kolmion ehdottama matalaenerginen säteily kiertäisi tämän sallimalla informaation leviämisen halossa mustan aukon ympärille ja paeta. Tutkijat kutsuivat informaatiorikasta sädekehää "pehmeiksi hiuksiksi".

Wald, Satishchandran ja Danielson eivät tutkineet mustan aukon informaatioparadoksia. Mutta heidän työnsä käyttää pehmeitä hiuksia. Erityisesti he osoittivat, että pehmeitä hiuksia ei synny vain silloin, kun hiukkaset putoavat horisontin poikki, vaan myös silloin, kun mustan aukon ulkopuolella olevat hiukkaset vain siirtyvät eri paikkaan. Mikä tahansa kvantti-superpositio ulkona sotkeutuu horisontissa oleviin pehmeisiin hiuksiin, mikä saa aikaan niiden tunnistaman dekoherenssivaikutuksen. Tällä tavalla superpositio tallennetaan eräänlaisena "muistina" horisontissa.

Laskelma on "konkreettinen toteutus pehmeistä hiuksista", sanoi Daniel Carney, teoreettinen fyysikko Lawrence Berkeley National Laboratoryssa. "Se on hieno paperi. Se voisi olla erittäin hyödyllinen rakennelma, kun yrittää saada idea toimimaan yksityiskohtaisesti."

Mutta Carneylle ja useille muille kvanttigravitaation tutkimuksen eturintamassa työskenteleville teoreetikoille tämä dekoherenssivaikutus ei ole kovinkaan yllättävä. Sähkömagneettisen voiman ja painovoiman pitkän kantaman luonne tarkoittaa, että "on vaikea pitää mitään erillään muusta maailmankaikkeudesta", sanoi Daniel Harlow, teoreettinen fyysikko Massachusetts Institute of Technologyssa.

Täydellinen epäkoherenssi

Kirjailijat kiistellä että tällaisessa dekoherenssissa on jotain ainutlaatuisen "kavalista". Yleensä fyysikot voivat hallita dekoherenssia suojaamalla kokeensa ulkopuolelta. Esimerkiksi tyhjiö poistaa lähellä olevien kaasumolekyylien vaikutuksen. Mutta mikään ei voi suojata painovoimaa, joten ei ole mitään keinoa eristää koetta painovoiman pitkän kantaman vaikutukselta. "Lopuksi jokainen superpositio puretaan täysin", Satishchandran sanoi. "Sitä ei voi kiertää mitenkään."

Siksi kirjoittajat pitävät mustien aukkojen horisontteja aktiivisemmin dekoherenssissa kuin aiemmin tiedettiin. "Maakaikkeuden geometria, toisin kuin sen sisällä oleva aine, on vastuussa epäkoherenssista", he kirjoittivat sähköpostissa. Quanta.

Carney kiistää tämän tulkinnan sanomalla, että uusi dekoherenssivaikutus voidaan ymmärtää myös sähkömagneettisten tai gravitaatiokenttien seurauksena yhdessä kausaalisuuden asettamien sääntöjen kanssa. Ja toisin kuin Hawkingin säteily, jossa mustan aukon horisontti muuttuu ajan myötä, tässä tapauksessa horisontilla "ei ole minkäänlaista dynamiikkaa", Carney sanoi. "Horisontti ei sinänsä tee mitään; En käyttäisi sitä kieltä."

Jotta kausaalisuutta ei loukata, mustan aukon ulkopuoliset superpositiot on dekoheroitava mahdollisimman nopeasti, jotta mustassa aukossa oleva hypoteettinen tarkkailija voisi kerätä niistä tietoa. "Se näyttää viittaavan johonkin uuteen periaatteeseen painovoimasta, mittauksesta ja kvanttimekaniikasta", Gralla sanoi. "Et odota sen tapahtuvan yli 100 vuotta gravitaatio- ja kvanttimekaniikan muotoilun jälkeen."

Mielenkiintoista on, että tällaista dekoherenssia tapahtuu kaikkialla, missä on horisontti, joka sallii tiedon kulkevan vain yhteen suuntaan, mikä luo potentiaalin kausaalisuusparadokseihin. Tunnetun universumin reuna, jota kutsutaan kosmologiseksi horisontiksi, on toinen esimerkki. Tai harkitse "Rindler-horisonttia", joka muodostuu jatkuvasti kiihdyttävän ja valonnopeutta lähestyvän tarkkailijan taakse, jotta valonsäteet eivät enää pääse kiinni niihin. Kaikki nämä "tappavat horisontit" (nimetty 19-luvun lopun - 20-luvun alun saksalaisen matemaatikon mukaan Wilhelm Killing) saavat kvantisuperpositiot hajoamaan. "Nämä horisontit todella tarkkailevat sinua täsmälleen samalla tavalla", Satishchandran sanoi.

Ei ole täysin selvää, mitä tunnetun universumin reunan tarkkaileminen tarkoittaa kaikkea universumin sisällä. "Emme ymmärrä kosmologista horisonttia", Lupsasca sanoi. "Se on erittäin kiehtovaa, mutta paljon vaikeampaa kuin mustat aukot."

Joka tapauksessa fyysikot toivovat saavansa tietää yhtenäisen teorian käyttäytymisestä esittämällä tällaisia ​​ajatuskokeita, joissa gravitaatio ja kvanttiteoria törmäävät. "Tämä todennäköisesti antaa meille lisää vihjeitä kvanttigravitaatiosta", Wald sanoi. Esimerkiksi uusi vaikutus voi auttaa teoreetikot ymmärtämään, kuinka sotkeutuminen liittyy aika-avaruuteen.

"Näiden vaikutusten on oltava osa kvanttigravitaation lopullista tarinaa", Lupsasca sanoi. "Ovatko ne nyt ratkaiseva vihje matkan varrella tuon teorian ymmärtämiseen? Se kannattaa tutkia."

Osallistuva universumi

Kun tutkijat jatkavat oppimista dekoherenssista sen kaikissa muodoissa, Wheelerin käsitys osallistuvasta maailmankaikkeudesta on tulossa selvemmäksi, Danielson sanoi. Kaikki maailmankaikkeuden hiukkaset näyttävät olevan hienovaraisessa superpositiossa, kunnes ne havaitaan. Määrätietoisuus syntyy vuorovaikutuksen kautta. "Luulen, että Wheelerillä oli sellainen mielessä", Danielson sanoi.

Kirjoittajat sanoivat, että havainto, että mustat aukot ja muut tappavat horisontit tarkkailevat kaikkea, koko ajan, halusitpa siitä tai et, on osallistuvaan universumiin enemmän kuin muilla dekoherenssityypeillä.

Kaikki eivät ole valmiita ostamaan Wheelerin filosofiaa suuressa mittakaavassa. "Ajatus siitä, että maailmankaikkeus tarkkailee itseään? Se kuulostaa minusta vähän jediltä", sanoi Lupsasca, joka on kuitenkin samaa mieltä siitä, että "kaikki tarkkailee itseään koko ajan vuorovaikutuksen kautta."

"Runollisesti voisi ajatella sitä sillä tavalla", Carney sanoi. "Henkilökohtaisesti sanoisin vain, että horisontin läsnäolo tarkoittaa sitä, että sen ympärillä elävät pellot jäävät horisonttiin todella mielenkiintoisella tavalla."

Kun Wheeler piirsi ensimmäisen kerran "ison U:n", kun Wald oli opiskelija 1970-luvulla, Wald ei ajatellut sitä paljon. "Wheelerin idea vaikutti minusta epävakaalta pohjalta", hän sanoi.

Ja nyt? "Suurin osa hänen tekemistään asioista oli innostusta ja epämääräisiä ideoita, jotka myöhemmin osoittautuivat todella kohdalleen", Wald sanoi ja huomautti, että Wheeler odotti Hawkingin säteilyä kauan ennen kuin vaikutus laskettiin.

"Hän näki itsensä ojentavan lampun valoa valaisemaan mahdollisia polkuja, joita muut ihmiset voivat seurata."