Superposisi kuantum bukan hanya milik partikel subatom tetapi juga benda paling masif di alam semesta. Itulah kesimpulan empat fisikawan teoretis di Australia dan Kanada yang menghitung respons hipotetis sebuah detektor partikel yang ditempatkan agak jauh dari lubang hitam. Para peneliti mengatakan detektor akan melihat tanda-tanda baru dari ruang-waktu yang ditumpangkan, menyiratkan bahwa lubang hitam mungkin memiliki dua massa yang berbeda secara bersamaan.
Lubang hitam terbentuk ketika objek yang sangat masif seperti bintang runtuh menjadi singularitas – titik dengan kepadatan tak terbatas. Medan gravitasi lubang hitam begitu besar sehingga tidak ada yang bisa lepas dari cengkeramannya, bahkan cahaya sekalipun. Ini menciptakan wilayah ruang bulat di sekitar singularitas yang sepenuhnya terputus dari sisa alam semesta dan dibatasi oleh apa yang dikenal sebagai horizon peristiwa.
Area penelitian aktif dalam fisika lubang hitam berupaya mengembangkan teori gravitasi kuantum yang konsisten. Ini adalah tujuan penting dari teori fisika yang akan merekonsiliasi mekanika kuantum dan teori relativitas umum Einstein. Secara khusus, dengan mempertimbangkan lubang hitam dalam superposisi kuantum, fisikawan berharap mendapatkan wawasan tentang sifat kuantum ruang-waktu.
Detektor Unruh–deWitt
Dalam majalah karya terbaru, dilaporkan dalam Physical Review Letters, Joshua Foo dan Magdalena Zychu dari University of Queensland bersama dengan Cemile Arabaci dan Robert Man di University of Waterloo menguraikan apa yang mereka gambarkan sebagai kerangka operasional baru untuk mempelajari superposisi ruang-waktu. Alih-alih menggunakan pendekatan "top-down" untuk mengkuantisasi relativitas umum, mereka malah mempertimbangkan efek status kuantum lubang hitam pada perilaku perangkat fisik tertentu yang disebut detektor Unruh-deWitt.
Ini adalah perangkat hipotetis yang terdiri dari sistem dua keadaan, seperti partikel dalam kotak, digabungkan ke medan kuantum. Saat berada dalam kondisi energi rendah dan terpapar radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang tepat, sistem melompat ke kondisi yang lebih tinggi dan mencatat "klik".
Detektor semacam ini secara teori dapat digunakan untuk mengukur Radiasi unruh, bak panas partikel yang diperkirakan muncul dari ruang hampa kuantum ke pengamat yang berakselerasi melalui ruang angkasa. Dalam skenario yang ditata dalam penelitian baru, itu justru akan menangkap Radiasi Hawking. Ini adalah radiasi yang diperkirakan akan tercipta ketika pasangan partikel-antipartikel virtual dalam ruang hampa kuantum terkoyak di cakrawala peristiwa lubang hitam – antipartikel kemudian menghilang ke dalam kehampaan dan partikel dipancarkan ke ruang sekitarnya.
Dalam eksperimen pemikiran mereka, kuartet membayangkan sebuah Unruh-deWitt detektor terletak pada titik tertentu di luar cakrawala peristiwa lubang hitam, dengan posisi tetap detektor diaktifkan oleh akselerasi dari lubang hitam yang menghasilkan radiasi Hawking. Para peneliti mempertimbangkan efek superposisi massa lubang hitam pada keluaran detektor tersebut.
Superposisi jarak
Seperti yang mereka jelaskan, dua massa menghasilkan solusi yang berbeda untuk persamaan medan relativitas umum dan dengan demikian ruang-waktu yang berbeda. Superposisi ruang-waktu yang dihasilkan pada gilirannya meninggalkan detektor dalam superposisi jarak dari cakrawala peristiwa, menciptakan efek interferometer yang masing-masing lengannya dikaitkan dengan salah satu massa lubang hitam. Probabilitas bahwa detektor mengklik tergantung pada massa mana yang ada dalam superposisi.
Dengan melakukan kalkulasi untuk lubang hitam yang relatif sederhana yang dijelaskan dalam dua dimensi spasial oleh formulasi Banados–Teitelboim–Zanelli, fisikawan memperoleh hasil yang mengejutkan. Mereka memplot kemungkinan mendeteksi partikel yang dipancarkan oleh lubang hitam sebagai fungsi dari akar kuadrat dari rasio massa superposisi dan menemukan puncak yang tajam ketika nilai tersebut sama dengan 1/n, dengan n menjadi bilangan bulat.
Radiasi Hawking yang terjerat terlihat di lubang hitam analog
Para peneliti mengaitkan perilaku ini dengan interferensi konstruktif antara radiasi di lengan interferometer yang sesuai dengan massa lubang hitam yang diprediksi oleh fisikawan Amerika-Israel Jacob Bekenstein pada 1970-an. Dia menunjukkan bahwa luas permukaan cakrawala peristiwa lubang hitam – dan karenanya massanya – adalah invarian adiabatik. Ini adalah properti fisik yang tetap konstan ketika ditindaklanjuti secara perlahan dan menghasilkan massa yang terkuantisasi.
“Hasil ini memberikan dukungan independen untuk dugaan Bekenstein,” tulis para peneliti Physical Review Letters, "mendemonstrasikan bagaimana probabilitas eksitasi detektor dapat mengungkapkan sifat gravitasi kuantum yang sebenarnya dari lubang hitam kuantum".
Keempat fisikawan tersebut menekankan bahwa hasil yang muncul dari kalkulasi mereka tanpa asumsi bahwa massa lubang hitam harus berada di dalam pita diskrit yang diprediksi oleh dugaan Bekenstein. Mereka menambahkan bahwa teknik mereka dapat diperluas ke deskripsi lubang hitam yang lebih kompleks dalam tiga dimensi spasial, yang menurut mereka, akan memberikan wawasan tambahan mengenai efek gravitasi kuantum di alam semesta kita.
