Lubang Hitam Pada Akhirnya Akan Menghancurkan Semua Negara Kuantum, Argumen Peneliti

Di Universitas Princeton pada awal 1970-an, fisikawan teoretis terkenal John Wheeler dapat terlihat di seminar atau diskusi lorong dadakan yang menggambar huruf “U” besar. Ujung kiri surat itu melambangkan permulaan alam semesta, di mana segala sesuatu tidak pasti dan semua kemungkinan kuantum terjadi pada waktu yang bersamaan. Ujung kanan surat itu, terkadang dihiasi dengan mata, menggambarkan seorang pengamat melihat ke masa lalu, sehingga memunculkan sisi kiri huruf U.

Dalam “alam semesta partisipatif” ini, demikian Wheeler menyebutnya, kosmos meluas dan mendingin di sekitar U, membentuk struktur dan akhirnya menciptakan pengamat, seperti manusia dan alat pengukur. Dengan melihat kembali ke alam semesta awal, para pengamat ini entah bagaimana membuatnya menjadi nyata.

“Dia akan mengatakan hal-hal seperti 'Tidak ada fenomena yang merupakan fenomena yang benar sampai itu adalah fenomena yang diamati,'” katanya Robert M. Wald, seorang fisikawan teoretis di University of Chicago yang merupakan mahasiswa doktoral Wheeler pada saat itu.

Sekarang, dengan mempelajari bagaimana teori kuantum berperilaku di cakrawala lubang hitam, Wald dan kolaboratornya telah menghitung efek baru yang menunjukkan alam semesta partisipatif Wheeler. Kehadiran lubang hitam belaka, mereka telah menemukan, sudah cukup untuk mengubah "superposisi" partikel yang kabur - keadaan berada di berbagai keadaan potensial - menjadi realitas yang terdefinisi dengan baik. "Ini membangkitkan gagasan bahwa cakrawala lubang hitam sedang mengamati," kata rekan penulis Gautam Satishchandran, seorang fisikawan teoretis di Princeton.

“Apa yang kami temukan mungkin merupakan realisasi mekanika kuantum dari [alam semesta partisipatif], tetapi di mana ruang-waktu itu sendiri berperan sebagai pengamat,” kata Daine Danielson, penulis ketiga, juga di Chicago.

Para ahli teori sekarang memperdebatkan apa yang harus dibaca tentang lubang hitam yang waspada ini. “Ini sepertinya memberi tahu kita sesuatu yang mendalam tentang cara gravitasi memengaruhi pengukuran dalam mekanika kuantum,” kata Sam Gralla, seorang ahli astrofisika teoretis di Universitas Arizona. Tapi apakah ini akan terbukti berguna bagi para peneliti yang beringsut menuju teori gravitasi kuantum yang lengkap masih belum bisa ditebak.

Efeknya adalah salah satu dari banyak yang terungkap dalam dekade terakhir oleh fisikawan yang mempelajari apa yang terjadi ketika teori kuantum digabungkan dengan gravitasi pada energi rendah. Misalnya, para ahli teori telah sukses besar memikirkannya Radiasi Hawking, yang menyebabkan lubang hitam menguap perlahan. "Efek halus yang tidak benar-benar kami perhatikan sebelumnya memberi kami kendala yang darinya kami dapat mengumpulkan petunjuk tentang bagaimana naik menuju gravitasi kuantum," kata Alex Lupsasca, seorang fisikawan teoretis di Universitas Vanderbilt yang tidak terlibat dalam penelitian baru.

Lubang hitam yang diamati ini tampaknya menghasilkan efek yang "sangat menawan," kata Lupsasca, "karena entah bagaimana terasa dalam."

Lubang Hitam dan Superposisi

Untuk memahami bagaimana lubang hitam dapat mengamati alam semesta, mulailah dari yang kecil. Pertimbangkan eksperimen celah ganda klasik, di mana partikel kuantum ditembakkan ke arah dua celah di penghalang. Mereka yang melewati kemudian terdeteksi oleh layar di sisi lain.

Pada awalnya, setiap partikel yang berjalan tampak muncul secara acak di layar. Tetapi ketika lebih banyak partikel melewati celah, pola garis-garis terang dan gelap muncul. Pola ini menunjukkan bahwa setiap partikel berperilaku seperti gelombang yang melewati kedua celah sekaligus. Band-band dihasilkan dari puncak dan palung gelombang yang saling menjumlahkan atau meniadakan satu sama lain — sebuah fenomena yang disebut interferensi.

Sekarang tambahkan detektor untuk mengukur celah mana yang dilalui partikel. Pola garis terang dan gelap akan hilang. Tindakan pengamatan mengubah keadaan partikel — sifatnya yang seperti gelombang menghilang seluruhnya. Fisikawan mengatakan bahwa informasi yang diperoleh oleh alat pendeteksi “decoheres” kemungkinan kuantum menjadi realitas yang pasti.

Yang penting, detektor Anda tidak harus dekat dengan celah untuk mengetahui jalur mana yang dilalui partikel. Partikel bermuatan, misalnya, memancarkan medan listrik jarak jauh yang mungkin memiliki kekuatan yang sedikit berbeda tergantung pada apakah ia melewati celah kanan atau kiri. Mengukur bidang ini dari jauh masih memungkinkan Anda untuk mengumpulkan informasi tentang jalur mana yang diambil partikel dan dengan demikian akan menyebabkan dekoherensi.

Pada tahun 2021, Wald, Satishchandran dan Danielson sedang mengeksplorasi paradoks yang terjadi ketika pengamat hipotetis mengumpulkan informasi dengan cara ini. Mereka membayangkan seorang pelaku eksperimen bernama Alice yang menciptakan partikel dalam superposisi. Di lain waktu, dia mencari pola interferensi. Partikel hanya akan menunjukkan interferensi jika belum terlalu terjerat dengan sistem luar saat Alice mengamatinya.

Lalu datanglah Bob, yang berusaha mengukur posisi partikel dari jauh dengan mengukur medan jarak jauh partikel. Menurut aturan kausalitas, Bob seharusnya tidak dapat mempengaruhi hasil percobaan Alice, karena percobaan harus selesai pada saat sinyal dari Bob sampai ke Alice. Namun, menurut aturan mekanika kuantum, jika Bob berhasil mengukur partikel, partikel itu akan terjerat dengannya, dan Alice tidak akan melihat pola interferensi.

Trio ini dengan cermat menghitung bahwa jumlah dekoherensi akibat tindakan Bob selalu lebih kecil dari dekoherensi yang secara alami akan disebabkan oleh Alice oleh radiasi yang dipancarkannya (yang juga terjerat dengan partikel). Jadi Bob tidak akan pernah bisa menguraikan eksperimen Alice karena dia pasti sudah menguraikannya sendiri. Meskipun versi sebelumnya dari paradoks ini adalah diselesaikan pada tahun 2018 dengan perhitungan di belakang amplop oleh Wald dan tim peneliti yang berbeda, Danielson mengambil satu langkah lebih jauh.

Dia mengajukan eksperimen pikiran kepada kolaboratornya: "Mengapa saya tidak bisa meletakkan detektor [Bob] di belakang lubang hitam?" Dalam pengaturan seperti itu, sebuah partikel dalam superposisi di luar cakrawala peristiwa akan memancarkan medan yang melintasi cakrawala dan dideteksi oleh Bob di sisi lain, di dalam lubang hitam. Detektor memperoleh informasi tentang partikel, tetapi karena cakrawala peristiwa adalah "tiket satu arah", tidak ada informasi yang dapat melintas kembali, kata Danielson. "Bob tidak dapat memengaruhi Alice dari dalam lubang hitam, jadi dekoherensi yang sama harus terjadi tanpa Bob," tim menulis dalam email ke Quanta. Lubang hitam itu sendiri harus menguraikan superposisi.

“Dalam bahasa yang lebih puitis dari alam semesta partisipatif, seolah-olah cakrawala menyaksikan superposisi,” kata Danielson.

Dengan menggunakan wawasan ini, mereka mulai mengerjakan perhitungan yang tepat tentang bagaimana superposisi kuantum dipengaruhi oleh ruang-waktu lubang hitam. Di dalam kertas diterbitkan di server pracetak arxiv.org pada bulan Januari, mereka menggunakan formula sederhana yang menjelaskan laju radiasi yang melintasi cakrawala peristiwa dan menyebabkan terjadinya dekoherensi. “Bahwa ada efeknya, bagi saya, sangat mengejutkan,” kata Wald.

Rambut di Cakrawala

Gagasan bahwa cakrawala peristiwa mengumpulkan informasi dan menyebabkan dekoherensi bukanlah hal baru. Pada 2016, Stephen Hawking, Malcolm Perry, dan Andrew Strominger dijelaskan bagaimana partikel yang melintasi cakrawala peristiwa dapat disertai dengan radiasi berenergi sangat rendah yang merekam informasi tentang partikel ini. Wawasan ini disarankan sebagai solusi untuk paradoks informasi lubang hitam, akibat mendalam dari penemuan Hawking sebelumnya bahwa lubang hitam memancarkan radiasi.

Masalahnya adalah radiasi Hawking menguras energi dari lubang hitam, menyebabkannya menguap sepenuhnya seiring waktu. Proses ini tampaknya menghancurkan setiap informasi yang telah jatuh ke dalam lubang hitam. Tapi dengan melakukan itu, itu akan bertentangan dengan fitur fundamental mekanika kuantum: bahwa informasi di alam semesta tidak dapat diciptakan atau dihancurkan.

Radiasi berenergi rendah yang diusulkan oleh ketiganya akan menyiasatinya dengan memungkinkan beberapa informasi didistribusikan dalam lingkaran cahaya di sekitar lubang hitam dan melarikan diri. Para peneliti menyebut halo yang kaya informasi itu "rambut lembut".

Wald, Satishchandran, dan Danielson tidak menyelidiki paradoks informasi lubang hitam. Namun pekerjaan mereka memanfaatkan rambut yang lembut. Secara khusus, mereka menunjukkan bahwa rambut lembut tercipta tidak hanya ketika partikel jatuh melintasi cakrawala, tetapi ketika partikel di luar lubang hitam hanya bergerak ke lokasi yang berbeda. Setiap superposisi kuantum di luar akan terjerat dengan rambut lembut di cakrawala, sehingga menimbulkan efek dekoherensi yang mereka identifikasi. Dengan cara ini superposisi direkam sebagai semacam "memori" di cakrawala.

Perhitungannya adalah "realisasi nyata dari rambut lembut," kata Daniel Carney, seorang fisikawan teoretis di Lawrence Berkeley National Laboratory. “Ini kertas yang keren. Ini bisa menjadi konstruksi yang sangat berguna untuk mencoba membuat ide itu bekerja secara detail.

Tetapi bagi Carney dan beberapa ahli teori lain yang bekerja di garis depan penelitian gravitasi kuantum, efek dekoherensi ini tidak terlalu mengejutkan. Sifat gaya elektromagnetik dan gravitasi jarak jauh berarti bahwa "sulit untuk menjaga apa pun tetap terisolasi dari bagian alam semesta lainnya," kata Daniel Harlow, seorang fisikawan teoretis di Massachusetts Institute of Technology.

Dekoherensi total

para penulis membantah bahwa ada sesuatu yang unik “berbahaya” tentang dekoherensi semacam ini. Biasanya, fisikawan dapat mengontrol dekoherensi dengan melindungi eksperimen mereka dari lingkungan luar. Vakum, misalnya, menghilangkan pengaruh molekul gas di dekatnya. Tapi tidak ada yang bisa melindungi gravitasi, jadi tidak ada cara untuk melindungi percobaan dari pengaruh jarak jauh gravitasi. “Akhirnya, setiap superposisi akan sepenuhnya dipisahkan,” kata Satishchandran. "Tidak ada cara untuk menyiasatinya."

Oleh karena itu penulis menganggap cakrawala lubang hitam mengambil peran yang lebih aktif dalam dekoherensi daripada yang diketahui sebelumnya. "Geometri alam semesta itu sendiri, berlawanan dengan materi di dalamnya, bertanggung jawab atas dekoherensi," tulis mereka dalam email ke Quanta.

Carney membantah interpretasi ini, dengan mengatakan bahwa efek dekoherensi baru juga dapat dipahami sebagai konsekuensi medan elektromagnetik atau gravitasi, dikombinasikan dengan aturan yang ditetapkan oleh kausalitas. Dan tidak seperti radiasi Hawking, di mana cakrawala lubang hitam berubah dari waktu ke waktu, dalam hal ini cakrawala "tidak memiliki dinamika apa pun," kata Carney. “Cakrawala tidak melakukan apa-apa, per se; Saya tidak akan menggunakan bahasa itu.”

Agar tidak melanggar kausalitas, superposisi di luar lubang hitam harus diuraikan pada tingkat maksimum yang memungkinkan pengamat hipotetis di dalam lubang hitam dapat mengumpulkan informasi tentangnya. “Tampaknya mengarah ke beberapa prinsip baru tentang gravitasi, pengukuran, dan mekanika kuantum,” kata Gralla. “Anda tidak mengharapkan hal itu terjadi lebih dari 100 tahun setelah gravitasi dan mekanika kuantum dirumuskan.”

Menariknya, dekoherensi semacam ini akan terjadi di mana pun ada cakrawala yang hanya memungkinkan informasi berjalan dalam satu arah, menciptakan potensi paradoks kausalitas. Ujung alam semesta yang dikenal, yang disebut cakrawala kosmologis, adalah contoh lainnya. Atau pertimbangkan "cakrawala Rindler", yang terbentuk di belakang seorang pengamat yang terus berakselerasi dan mendekati kecepatan cahaya, sehingga sinar cahaya tidak dapat lagi mengejarnya. Semua "Cakrawala yang Membunuh" ini (dinamai menurut ahli matematika Jerman akhir abad ke-19 hingga awal abad ke-20 Pembunuhan Wilhelm) menyebabkan superposisi kuantum terurai. “Cakrawala ini benar-benar mengawasi Anda dengan cara yang persis sama,” kata Satishchandran.

Persis apa artinya tepi alam semesta yang dikenal untuk menonton segala sesuatu di dalam alam semesta tidak sepenuhnya jelas. "Kami tidak memahami cakrawala kosmologis," kata Lupsasca. "Ini sangat menarik, tapi jauh lebih sulit daripada lubang hitam."

Bagaimanapun, dengan mengajukan eksperimen pemikiran seperti ini, di mana teori gravitasi dan kuantum bertabrakan, fisikawan berharap untuk belajar tentang perilaku teori terpadu. “Ini kemungkinan memberi kita lebih banyak petunjuk tentang gravitasi kuantum,” kata Wald. Misalnya, efek baru dapat membantu ahli teori memahami bagaimana keterikatan terkait dengan ruang-waktu.

“Efek ini harus menjadi bagian dari kisah terakhir gravitasi kuantum,” kata Lupsasca. “Sekarang, apakah mereka akan menjadi petunjuk penting di sepanjang jalan untuk mendapatkan wawasan tentang teori itu? Ini layak untuk diselidiki.

Semesta Partisipatif

Ketika para ilmuwan terus belajar tentang dekoherensi dalam segala bentuknya, konsep Wheeler tentang alam semesta partisipatif menjadi lebih jelas, kata Danielson. Semua partikel di alam semesta, tampaknya, berada dalam superposisi halus sampai diamati. Kepastian muncul melalui interaksi. "Seperti itulah, saya pikir, ada dalam pikiran Wheeler," kata Danielson.

Dan temuan bahwa lubang hitam dan cakrawala Pembunuhan lainnya mengamati segalanya, sepanjang waktu, "suka atau tidak," adalah "lebih menggugah" dari alam semesta partisipatif daripada jenis dekoherensi lainnya, kata penulis.

Tidak semua orang siap membeli filosofi Wheeler dalam skala besar. “Gagasan bahwa alam semesta mengamati dirinya sendiri? Kedengarannya agak Jedi bagi saya, "kata Lupsasca, yang setuju bahwa" semuanya mengamati dirinya sendiri sepanjang waktu melalui interaksi.

“Secara puitis, Anda bisa memikirkannya seperti itu,” kata Carney. "Secara pribadi, saya hanya akan mengatakan bahwa keberadaan cakrawala berarti ladang yang hidup di sekitarnya akan terjebak di cakrawala dengan cara yang sangat menarik."

Ketika Wheeler pertama kali menggambar "U besar" ketika Wald masih mahasiswa di tahun 1970-an, Wald tidak terlalu memikirkannya. “Ide Wheeler mengejutkan saya karena tidak memiliki dasar yang kokoh,” katanya.

Dan sekarang? "Banyak hal yang dia lakukan adalah antusiasme dan beberapa ide samar yang kemudian ternyata benar-benar tepat sasaran," kata Wald, mencatat bahwa Wheeler mengantisipasi radiasi Hawking jauh sebelum efeknya dihitung.

"Dia melihat dirinya mengulurkan lampu untuk menerangi jalan yang memungkinkan untuk diikuti orang lain."