ब्लैक होल अंततः सभी क्वांटम स्टेट्स को नष्ट कर देंगे, शोधकर्ताओं का तर्क है

1970 के दशक की शुरुआत में प्रिंसटन विश्वविद्यालय में, प्रसिद्ध सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी जॉन व्हीलर को सेमिनारों में देखा जा सकता था या एक बड़े "यू" को चित्रित करते हुए हॉलवे चर्चाओं में देखा जा सकता था। पत्र का बायां सिरा ब्रह्मांड की शुरुआत का प्रतिनिधित्व करता है, जहां सब कुछ अनिश्चित था और सभी क्वांटम संभावनाएं एक ही समय में हो रही थीं। अक्षर का दाहिना सिरा, कभी-कभी एक आँख से सजी, एक पर्यवेक्षक को समय में वापस देखने का चित्रण करता है, इस प्रकार यू के बाईं ओर को अस्तित्व में लाता है।

इस "भागीदारी ब्रह्मांड" में, जैसा कि व्हीलर ने कहा था, ब्रह्मांड का विस्तार हुआ और यू के चारों ओर ठंडा हो गया, जिससे संरचनाएं बन गईं और अंततः मनुष्यों और मापने वाले उपकरणों की तरह पर्यवेक्षकों का निर्माण हुआ। आरंभिक ब्रह्मांड को देखकर, इन प्रेक्षकों ने किसी तरह इसे वास्तविक बना दिया।

"वह कहते थे कि 'कोई घटना तब तक सच्ची घटना नहीं है जब तक कि यह एक देखी गई घटना न हो," कहा रॉबर्ट एम। वाल्ड, शिकागो विश्वविद्यालय में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी जो उस समय व्हीलर के डॉक्टरेट छात्र थे।

अब, ब्लैक होल के क्षितिज पर क्वांटम सिद्धांत कैसे व्यवहार करता है, इसका अध्ययन करके, वाल्ड और उनके सहयोगियों ने एक नए प्रभाव की गणना की है जो व्हीलर के सहभागी ब्रह्मांड का संकेत है। एक ब्लैक होल की मात्र उपस्थिति, उन्होंने पाया है, एक कण के धुंधले "सुपरपोजिशन" को बदलने के लिए पर्याप्त है - कई संभावित राज्यों में होने की स्थिति - एक अच्छी तरह से परिभाषित वास्तविकता में। "यह इस विचार को उद्घाटित करता है कि ये ब्लैक होल क्षितिज देख रहे हैं," सह-लेखक ने कहा गौतम सतीशचंद्रन, प्रिंसटन में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी।

"जो हमने पाया है वह [भागीदारी ब्रह्मांड] का एक क्वांटम यांत्रिक अहसास हो सकता है, लेकिन जहां अंतरिक्ष-समय ही पर्यवेक्षक की भूमिका निभाता है," कहा डाइन डेनियलसन, तीसरा लेखक, शिकागो में भी।

सिद्धांतवादी अब इस बात पर बहस कर रहे हैं कि इन चौकस ब्लैक होल में क्या पढ़ा जाए। "ऐसा लगता है कि क्वांटम यांत्रिकी में गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव के तरीके के बारे में हमें कुछ गहराई से बता रहा है," कहा सैम ग्रेला, एरिजोना विश्वविद्यालय में एक सैद्धांतिक खगोल वैज्ञानिक। लेकिन क्या यह क्वांटम गुरुत्व के एक पूर्ण सिद्धांत की ओर बढ़ने वाले शोधकर्ताओं के लिए उपयोगी साबित होगा, यह अभी भी किसी का अनुमान नहीं है।

यह प्रभाव पिछले एक दशक में भौतिकविदों द्वारा अध्ययन किए गए कई प्रभावों में से एक है, जब क्वांटम सिद्धांत को कम ऊर्जा पर गुरुत्वाकर्षण के साथ जोड़ा जाता है। उदाहरण के लिए, सिद्धांतकारों को सोचने में बड़ी सफलता मिली है हॉकिंग विकिरण, जिससे ब्लैक होल धीरे-धीरे लुप्त हो जाते हैं। "सूक्ष्म प्रभाव जिन्हें हमने पहले वास्तव में नहीं देखा था, हमें बाधाएं देते हैं जिससे हम सुराग प्राप्त कर सकते हैं कि क्वांटम गुरुत्वाकर्षण की ओर कैसे जाना है," कहा एलेक्स लुप्सस्का, वेंडरबिल्ट विश्वविद्यालय में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी जो नए शोध में शामिल नहीं थे।

लुपसास्का ने कहा, "ये पर्यवेक्षक ब्लैक होल एक ऐसा प्रभाव पैदा करते हैं जो "बहुत ही गिरफ्तार करने वाला" है, "क्योंकि ऐसा लगता है कि यह किसी तरह गहरा है।"

ब्लैक होल और सुपरपोजिशन

यह समझने के लिए कि एक ब्लैक होल ब्रह्मांड का अवलोकन कैसे कर सकता है, छोटी शुरुआत करें। क्लासिक डबल-स्लिट प्रयोग पर विचार करें, जिसमें क्वांटम कणों को एक बैरियर में दो स्लिट्स की ओर फैंक दिया जाता है। जो इसके माध्यम से गुजरते हैं उन्हें दूसरी तरफ एक स्क्रीन द्वारा पता लगाया जाता है।

सबसे पहले, प्रत्येक यात्रा करने वाला कण स्क्रीन पर यादृच्छिक रूप से दिखाई देता है। लेकिन जैसे-जैसे अधिक कण स्लिट्स से गुजरते हैं, प्रकाश और अंधेरे धारियों का एक पैटर्न उभर कर आता है। यह पैटर्न बताता है कि प्रत्येक कण तरंगों की तरह व्यवहार करता है जो एक ही बार में दोनों स्लिट्स से गुजरती हैं। बैंड तरंगों के शिखर और गर्तों से उत्पन्न होते हैं या तो एक दूसरे को जोड़ते हैं या एक दूसरे को रद्द करते हैं - एक घटना जिसे हस्तक्षेप कहा जाता है।

अब यह मापने के लिए एक डिटेक्टर जोड़ें कि कण किस दो स्लिट से होकर गुजरता है। हल्की और गहरी धारियों का पैटर्न गायब हो जाएगा। अवलोकन के कार्य से कण की स्थिति बदल जाती है - इसकी तरंग जैसी प्रकृति पूरी तरह से गायब हो जाती है। भौतिकविदों का कहना है कि पता लगाने वाले उपकरण द्वारा प्राप्त जानकारी क्वांटम संभावनाओं को एक निश्चित वास्तविकता में "डिकोहेयर" करती है।

महत्वपूर्ण रूप से, आपके डिटेक्टर को यह पता लगाने के लिए स्लिट्स के करीब नहीं होना चाहिए कि कण ने किस पथ को लिया। एक आवेशित कण, उदाहरण के लिए, एक लंबी दूरी के विद्युत क्षेत्र का उत्सर्जन करता है, जिसकी ताकत थोड़ी अलग हो सकती है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि यह दाएं हाथ या बाएं हाथ के स्लिट से गुजरा है या नहीं। दूर से इस क्षेत्र को मापना आपको अभी भी जानकारी एकत्र करने की अनुमति देगा कि कण ने किस पथ को लिया और इस प्रकार विकृति का कारण बनेगा।

2021 में, वाल्ड, सतीशचंद्रन और डेनियलसन एक विरोधाभास की खोज कर रहे थे जब काल्पनिक पर्यवेक्षक इस तरह से जानकारी इकट्ठा करते हैं. उन्होंने ऐलिस नामक एक प्रयोगकर्ता की कल्पना की जो एक सुपरपोजिशन में एक कण बनाता है। बाद के समय में, वह एक हस्तक्षेप पैटर्न की तलाश करती है। कण केवल हस्तक्षेप प्रदर्शित करेगा यदि यह किसी बाहरी प्रणाली से बहुत अधिक उलझा हुआ नहीं है, जबकि ऐलिस इसे देखता है।

इसके बाद बॉब आता है, जो कण की लंबी दूरी के क्षेत्रों को मापकर दूर से कण की स्थिति को मापने का प्रयास कर रहा है। कार्य-कारण के नियमों के अनुसार, बॉब को ऐलिस के प्रयोग के परिणाम को प्रभावित करने में सक्षम नहीं होना चाहिए, क्योंकि बॉब से ऐलिस को संकेत मिलने तक प्रयोग समाप्त हो जाना चाहिए। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, यदि बॉब सफलतापूर्वक कण को ​​​​माप लेता है, तो यह उसके साथ उलझ जाएगा, और ऐलिस को एक हस्तक्षेप पैटर्न नहीं दिखाई देगा।

तीनों ने कठोर रूप से गणना की कि बॉब के कार्यों के कारण होने वाली विकृति की मात्रा हमेशा उस विकृति से कम होती है जो ऐलिस स्वाभाविक रूप से उसके द्वारा उत्सर्जित विकिरण के कारण होती है (जो कण से भी उलझ जाती है)। इसलिए बॉब ऐलिस के प्रयोग को कभी भी अलग नहीं कर सका क्योंकि वह पहले ही इसे स्वयं समझ चुकी होगी। हालांकि इस विरोधाभास का एक पुराना संस्करण था 2018 में हल किया गया वाल्ड और शोधकर्ताओं की एक अलग टीम द्वारा बैक-ऑफ-द-लिफाफा गणना के साथ, डेनियलसन ने इसे एक कदम आगे बढ़ाया।

उन्होंने अपने सहयोगियों के सामने एक सोचा हुआ प्रयोग रखा: "मैं [बॉब] के डिटेक्टर को ब्लैक होल के पीछे क्यों नहीं रख सकता?" इस तरह के सेटअप में, घटना क्षितिज के बाहर एक सुपरपोज़िशन में एक कण उन क्षेत्रों को उत्पन्न करेगा जो क्षितिज को पार करते हैं और दूसरी तरफ बॉब द्वारा ब्लैक होल के भीतर पता लगाया जाता है। डिटेक्टर कण के बारे में जानकारी प्राप्त करता है, लेकिन जैसा कि घटना क्षितिज एक "एक तरफ़ा टिकट" है, कोई भी जानकारी वापस पार नहीं कर सकती है, डेनियलसन ने कहा। टीम ने एक ईमेल में लिखा है, "बॉब ब्लैक होल के अंदर से ऐलिस को प्रभावित नहीं कर सकता है, इसलिए बॉब के बिना भी ऐसा ही होना चाहिए।" क्वांटा. ब्लैक होल को ही सुपरपोज़िशन को अलग करना होगा।

डेनियलसन ने कहा, "भागीदारी ब्रह्मांड की अधिक काव्यात्मक भाषा में, ऐसा लगता है जैसे क्षितिज सुपरपोजिशन देखता है।"

इस अंतर्दृष्टि का उपयोग करते हुए, उन्होंने सटीक गणना पर काम करना शुरू किया कि ब्लैक होल के स्पेस-टाइम से क्वांटम सुपरपोजिशन कैसे प्रभावित होते हैं। में एक पेपर जनवरी में प्रीप्रिंट सर्वर arxiv.org पर प्रकाशित, वे एक सरल सूत्र पर उतरे, जो उस दर का वर्णन करता है जिस पर विकिरण घटना क्षितिज को पार करता है और इस प्रकार विकृति का कारण बनता है। वाल्ड ने कहा, "यह मेरे लिए बहुत ही आश्चर्यजनक था," एक प्रभाव था।

क्षितिज पर बाल

यह विचार कि घटना क्षितिज जानकारी एकत्र करते हैं और अव्यवस्था का कारण बनते हैं, नया नहीं है। 2016 में, स्टीफन हॉकिंग, मैल्कम पेरी और एंड्रयू स्ट्रोमिंगर वर्णित कैसे घटना क्षितिज को पार करने वाले कण बहुत कम ऊर्जा वाले विकिरण के साथ हो सकते हैं जो इन कणों के बारे में जानकारी रिकॉर्ड करता है। इस अंतर्दृष्टि को ब्लैक होल सूचना विरोधाभास के समाधान के रूप में सुझाया गया था, हॉकिंग की पहले की खोज का गहरा परिणाम है कि ब्लैक होल विकिरण उत्सर्जित करते हैं।

समस्या यह थी कि हॉकिंग विकिरण ब्लैक होल से ऊर्जा को बाहर निकालता है, जिससे वे समय के साथ पूरी तरह से वाष्पित हो जाते हैं। यह प्रक्रिया ब्लैक होल में गिरी हुई किसी भी जानकारी को नष्ट करने के लिए प्रतीत होती है। लेकिन ऐसा करने में, यह क्वांटम यांत्रिकी की मूलभूत विशेषता का खंडन करेगा: ब्रह्मांड में जानकारी को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है।

तिकड़ी द्वारा प्रस्तावित कम-ऊर्जा विकिरण ब्लैक होल के चारों ओर एक प्रभामंडल में कुछ जानकारी वितरित करने और भागने की अनुमति देकर इसे प्राप्त करेगा। शोधकर्ताओं ने सूचना-समृद्ध प्रभामंडल को "मुलायम बाल" कहा।

वाल्ड, सतीशचंद्रन और डेनियलसन ब्लैक होल सूचना विरोधाभास की जांच नहीं कर रहे थे। लेकिन उनके काम में मुलायम बालों का इस्तेमाल होता है। विशेष रूप से, उन्होंने दिखाया कि मुलायम बाल न केवल तब बनते हैं जब कण क्षितिज पर गिरते हैं, बल्कि जब ब्लैक होल के बाहर के कण केवल एक अलग स्थान पर चले जाते हैं। बाहर कोई भी क्वांटम सुपरपोज़िशन क्षितिज पर मुलायम बालों के साथ उलझ जाएगा, जिससे उनके द्वारा पहचाने जाने वाले डिकॉरेन्स प्रभाव को जन्म मिलेगा। इस तरह सुपरपोज़िशन को क्षितिज पर एक तरह की "स्मृति" के रूप में दर्ज किया जाता है।

गणना "मुलायम बालों की ठोस प्राप्ति" है, ने कहा डेनियल कार्नी, लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी। "यह एक अच्छा पेपर है। उस विचार को विस्तार से बनाने की कोशिश करने के लिए यह एक बहुत ही उपयोगी निर्माण हो सकता है।

लेकिन कार्नी और कई अन्य सिद्धांतकारों के लिए जो क्वांटम ग्रेविटी अनुसंधान में सबसे आगे काम कर रहे हैं, यह डिकॉरेन्स प्रभाव आश्चर्यजनक नहीं है। विद्युत चुम्बकीय बल और गुरुत्वाकर्षण की लंबी दूरी की प्रकृति का मतलब है कि "कुछ भी ब्रह्मांड के बाकी हिस्सों से अलग रखना मुश्किल है," कहा डैनियल हार्लोमैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी।

कुल विकृति

लेखक बहस कि इस तरह की असंगति के बारे में कुछ अनोखा "कपटी" है। आमतौर पर, भौतिक विज्ञानी अपने प्रयोग को बाहरी वातावरण से बचाकर डिकॉरेन्स को नियंत्रित कर सकते हैं। एक निर्वात, उदाहरण के लिए, पास के गैस अणुओं के प्रभाव को हटा देता है। लेकिन कुछ भी गुरुत्वाकर्षण को ढाल नहीं सकता है, इसलिए गुरुत्वाकर्षण के लंबी दूरी के प्रभाव से प्रयोग को अलग करने का कोई तरीका नहीं है। सतीशचंद्रन ने कहा, "आखिरकार, हर सुपरपोजिशन पूरी तरह से अलग हो जाएगा।" "इसके आसपास होने का कोई रास्ता नहीं है।"

इसलिए लेखक ब्लैक होल क्षितिज को पहले से ज्ञात की तुलना में अधिक सक्रिय भूमिका निभाने के रूप में मानते हैं। उन्होंने एक ईमेल में लिखा था, "ब्रह्मांड की ज्यामिति ही, इसके भीतर के मामले के विपरीत, इसके लिए जिम्मेदार है।" क्वांटा.

कार्नी ने इस व्याख्या पर विवाद करते हुए कहा कि नए डिकॉरेन्स प्रभाव को कार्य-कारण द्वारा निर्धारित नियमों के संयोजन में विद्युत चुम्बकीय या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों के परिणाम के रूप में भी समझा जा सकता है। और हॉकिंग विकिरण के विपरीत, जहां ब्लैक होल क्षितिज समय के साथ बदलता है, इस मामले में क्षितिज में "कोई गतिशीलता नहीं है," कार्नी ने कहा। “क्षितिज अपने आप में कुछ नहीं करता; मैं उस भाषा का इस्तेमाल नहीं करूंगा।"

कार्य-कारण का उल्लंघन न करने के लिए, ब्लैक होल के बाहर के सुपरपोज़िशन को अधिकतम संभव दर पर डिकोड किया जाना चाहिए, जिससे ब्लैक होल के अंदर एक काल्पनिक पर्यवेक्षक उनके बारे में जानकारी एकत्र कर सके। "ऐसा लगता है कि यह गुरुत्वाकर्षण, माप और क्वांटम यांत्रिकी के बारे में कुछ नए सिद्धांत की ओर इशारा कर रहा है," ग्राला ने कहा। "आप उम्मीद नहीं करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी तैयार किए जाने के 100 से अधिक वर्षों बाद ऐसा होगा।"

आश्चर्यजनक रूप से, इस प्रकार की असंगति कहीं भी हो सकती है जहां एक क्षितिज होता है जो सूचना को केवल एक दिशा में यात्रा करने की अनुमति देता है, जिससे कार्य-कारण विरोधाभासों की संभावना पैदा होती है। ज्ञात ब्रह्माण्ड का किनारा, जिसे ब्रह्माण्ड संबंधी क्षितिज कहा जाता है, एक और उदाहरण है। या "रिंडलर क्षितिज" पर विचार करें, जो एक पर्यवेक्षक के पीछे बनता है जो लगातार प्रकाश की गति को तेज करता है और निकट आता है, ताकि प्रकाश किरणें अब उनके साथ पकड़ न सकें। ये सभी "किलिंग होराइज़न्स" (19वीं सदी के अंत में - 20वीं सदी के शुरुआती जर्मन गणितज्ञ के नाम पर रखे गए) विल्हेम हत्या) क्वांटम सुपरपोजिशन को डिकोहेयर करने का कारण बनता है। सतीशचंद्रन ने कहा, "ये क्षितिज वास्तव में आपको ठीक उसी तरह देख रहे हैं।"

ज्ञात ब्रह्मांड के किनारे के लिए ब्रह्मांड के अंदर सब कुछ देखने का वास्तव में क्या मतलब है यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है। लुपसास्का ने कहा, "हम ब्रह्माण्ड संबंधी क्षितिज को नहीं समझते हैं।" "यह सुपर आकर्षक है, लेकिन ब्लैक होल की तुलना में बहुत कठिन है।"

किसी भी मामले में, इस तरह के विचार प्रयोगों को प्रस्तुत करके, जहां गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम सिद्धांत टकराते हैं, भौतिकविदों को एक एकीकृत सिद्धांत के व्यवहार के बारे में जानने की उम्मीद है। वाल्ड ने कहा, "यह संभवतः हमें क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के बारे में कुछ और संकेत दे रहा है।" उदाहरण के लिए, नया प्रभाव सिद्धांतकारों को यह समझने में मदद कर सकता है कि कैसे उलझाव अंतरिक्ष-समय से संबंधित है।

"इन प्रभावों को क्वांटम गुरुत्व की अंतिम कहानी का हिस्सा बनना है," लुपसास्का ने कहा। "अब, क्या वे उस सिद्धांत में अंतर्दृष्टि बटोरने के रास्ते में एक महत्वपूर्ण सुराग बनने जा रहे हैं? यह जांच के लायक है।

द पार्टिसिपेटरी यूनिवर्स

जैसा कि वैज्ञानिक अपने सभी रूपों में डिकॉरेन्स के बारे में सीखना जारी रखते हैं, व्हीलर की सहभागी ब्रह्मांड की अवधारणा स्पष्ट होती जा रही है, डेनियलसन ने कहा। ऐसा प्रतीत होता है कि ब्रह्माण्ड के सभी कण एक सूक्ष्म अध्यारोपण में हैं जब तक कि उनका अवलोकन नहीं किया जाता। अंतःक्रियाओं से निश्चितता उभरती है। डेनियलसन ने कहा, "मुझे लगता है कि व्हीलर के दिमाग में यही था।"

लेखकों ने कहा कि यह निष्कर्ष कि ब्लैक होल और अन्य किलिंग होराइज़न्स सब कुछ देखते हैं, हर समय, "चाहे आप इसे पसंद करते हों या नहीं," सहभागी ब्रह्मांड का "अधिक विचारोत्तेजक" है, लेखकों ने कहा।

व्हीलर के दर्शन को बड़े पैमाने पर खरीदने के लिए हर कोई तैयार नहीं है। "यह विचार कि ब्रह्मांड खुद को देखता है? यह मेरे लिए एक छोटी सी जेडी लगती है," लुपसास्का ने कहा, जो फिर भी इस बात से सहमत है कि "सब कुछ हर समय बातचीत के माध्यम से खुद को देख रहा है।"

"काव्यात्मक रूप से, आप इसे इस तरह सोच सकते हैं," कार्नी ने कहा। "व्यक्तिगत रूप से, मैं सिर्फ इतना कहूंगा कि क्षितिज की उपस्थिति का मतलब है कि इसके आसपास रहने वाले क्षेत्र वास्तव में दिलचस्प तरीके से क्षितिज पर फंसने वाले हैं।"

1970 के दशक में जब व्हीलर ने पहली बार "बिग यू" बनाया, जब वाल्ड एक छात्र था, तो वाल्ड ने इसके बारे में ज्यादा नहीं सोचा। "व्हीलर के विचार ने मुझे प्रभावित किया क्योंकि वह ठोस आधार पर नहीं था," उन्होंने कहा।

और अब? वाल्ड ने कहा, "उन्होंने जो कुछ भी किया वह उत्साह और कुछ अस्पष्ट विचार थे जो बाद में वास्तव में निशान पर निकल गए," यह देखते हुए कि व्हीलर ने प्रभाव की गणना से बहुत पहले हॉकिंग विकिरण का अनुमान लगाया था।

"उन्होंने खुद को दूसरे लोगों के अनुसरण के लिए संभावित रास्तों को रोशन करने के लिए एक दीपक की रोशनी के रूप में देखा।"