A kvantum-szuperpozíció nemcsak a szubatomi részecskék sajátja, hanem a világegyetem legnagyobb tömegű objektumaié is. Erre a következtetésre jutott négy elméleti fizikus Ausztráliában és Kanadában, akik a fekete lyuktól bizonyos távolságra elhelyezett részecskedetektor hipotetikus válaszát számították ki. A kutatók szerint a detektor az egymásra épülő téridő újszerű jeleit látná, ami arra utal, hogy a fekete lyuknak egyszerre két különböző tömege lehet.
Fekete lyukak akkor keletkeznek, amikor a rendkívül nagy tömegű objektumok, például a csillagok szingularitássá omlanak össze – ez egy végtelen sűrűségű pont. A fekete lyuk gravitációs tere akkora, hogy semmi sem kerülheti el a karmait, még a fény sem. Ez egy gömb alakú térrégiót hoz létre a szingularitás körül, amely teljesen el van vágva az univerzum többi részétől, és az úgynevezett eseményhorizont határolja.
A fekete lyukak fizikájával foglalkozó aktív kutatási terület a kvantumgravitáció következetes elméletének kidolgozására törekszik. Ez az elméleti fizika egyik fontos célja, amely összeegyeztetné a kvantummechanikát és Einstein általános relativitáselméletét. A fizikusok különösen a kvantum-szuperpozícióban lévő fekete lyukak figyelembevételével remélik, hogy betekintést nyerhetnek a tér-idő kvantumtermészetébe.
Unruh-deWitt detektor
A legújabb mű, jelentették a Fizikai áttekintés betűk, Joshua Foo és a Magdalena Zych a Queenslandi Egyetemen Cemile Arabaci és a Robert Mann a Waterloo Egyetemen felvázolják, mit írnak le új működési keretként a tér-idő szuperpozíciók tanulmányozására. Ahelyett, hogy „felülről lefelé” megközelítést alkalmaznának az általános relativitáselmélet kvantálására, inkább a fekete lyuk kvantumállapotának egy konkrét fizikai eszköz, az Unruh–deWitt detektor viselkedésére gyakorolt hatásait veszik figyelembe.
Ez egy hipotetikus eszköz, amely egy kétállapotú rendszert tartalmaz, például egy részecskét egy dobozban, amely kvantumtérhez kapcsolódik. Amikor alacsony energiájú állapotban van, és éppen a megfelelő frekvenciájú elektromágneses sugárzásnak van kitéve, a rendszer magasabb állapotba ugrik, és „kattanást” regisztrál.
Ez a fajta detektor elméletileg használható mérésre Unruh sugárzás, részecskék hőfürdője, amely az előrejelzések szerint a kvantumvákuumból jelenik meg a térben gyorsuló megfigyelő számára. Az új kutatásban lefektetett forgatókönyv szerint ehelyett rögzítené Hawking sugárzás. Ez egy olyan sugárzás, amely az előrejelzések szerint akkor keletkezik, amikor a kvantumvákuumban a virtuális részecske-antirészecske párok szétszakadnak egy fekete lyuk eseményhorizontjában – az antirészecske ezután eltűnik az űrben, és a részecske kibocsátódik a környező térbe.
Gondolatkísérletükben a kvartett egy Unruh–deWitt detektort képzel el, amely egy adott ponton, a fekete lyuk eseményhorizontján kívül helyezkedik el, és a detektor rögzített helyzetét a Hawking-sugárzást kibocsátó fekete lyuktól távolodó gyorsulás teszi lehetővé. A kutatók megvizsgálják a fekete lyuk tömegének szuperpozíciójának hatását a detektor kimenetére.
Távolságok szuperpozíciója
Amint kifejtik, a két tömeg különböző megoldásokat ad az általános relativitáselmélet téregyenleteire, és ezáltal különböző téridőket. Az így létrejövő téridő szuperpozíció az eseményhorizonttól való távolságok szuperpozíciójában hagyja a detektort, ami tulajdonképpen egy interferométert hoz létre, amelynek karjai egy-egy fekete lyuk tömegéhez kapcsolódnak. A detektor kattanásának valószínűsége attól függ, hogy milyen tömegek vannak jelen a szuperpozícióban.
A Banados–Teitelboim–Zanelli képlet által két térbeli dimenzióban leírt, viszonylag egyszerű fekete lyukra vonatkozó számításokat végezve a fizikusok feltűnő eredményre jutottak. Megrajzolták a fekete lyuk által kibocsátott részecske észlelésének valószínűségét a szuperpozíciós tömegarányok négyzetgyökének függvényében, és éles csúcsokat találtak, amikor ezek az értékek egyenlőek 1/n, És n egész szám lévén.
Összegabalyodott Hawking-sugárzás az analóg fekete lyukban
A kutatók ezt a viselkedést az interferométer karjaiban lévő sugárzás közötti konstruktív interferenciának tulajdonítják, amely megfelel a Jacob Bekenstein amerikai-izraeli fizikus által az 1970-es években megjósolt fekete lyuk tömegének. Megmutatta, hogy a fekete lyuk eseményhorizontjának felülete – és így tömege – adiabatikus invariáns. Ez egy fizikai tulajdonság, amely állandó marad, ha lassan hat rá, és ami a tömeg kvantálását eredményezi.
„Ez az eredmény független alátámasztja Bekenstein sejtését” – írják a kutatók Fizikai áttekintés betűk, „bemutatva, hogy a detektor gerjesztési valószínűsége hogyan képes feltárni egy kvantumfekete lyuk valódi kvantumgravitációs tulajdonságát”.
A négy fizikus hangsúlyozza, hogy az eredmény számításaikból származott anélkül, hogy feltételezték volna, hogy a fekete lyuk tömegének a Bekenstein sejtése által megjósolt diszkrét sávok közé kell esnie. Hozzáteszik, hogy technikájukat ki lehetne terjeszteni a fekete lyukak összetettebb leírására három térbeli dimenzióban, ami szerintük további betekintést nyújtana a kvantumgravitáció univerzumunkban tapasztalható hatásaiba.
