I buchi neri finiranno per distruggere tutti gli stati quantistici, sostengono i ricercatori

Alla Princeton University nei primi anni '1970, il celebre fisico teorico John Wheeler poteva essere individuato in seminari o discussioni improvvisate nei corridoi disegnando una grande "U". La punta sinistra della lettera rappresentava l'inizio dell'universo, dove tutto era incerto e tutte le possibilità quantistiche si stavano verificando contemporaneamente. La punta destra della lettera, a volte ornata da un occhio, raffigurava un osservatore che guardava indietro nel tempo, dando così vita al lato sinistro della U.

In questo "universo partecipativo", come lo chiamava Wheeler, il cosmo si espanse e si raffreddò attorno alla U, formando strutture e infine creando osservatori, come umani e apparecchi di misurazione. Guardando indietro all'universo primordiale, questi osservatori in qualche modo lo hanno reso reale.

"Direbbe cose come 'Nessun fenomeno è un vero fenomeno fino a quando non è un fenomeno osservato'", ha detto Roberto M. Wald, un fisico teorico dell'Università di Chicago che all'epoca era studente di dottorato di Wheeler.

Ora, studiando come si comporta la teoria quantistica all'orizzonte di un buco nero, Wald ei suoi collaboratori hanno calcolato un nuovo effetto che suggerisce l'universo partecipativo di Wheeler. La semplice presenza di un buco nero, hanno scoperto, è sufficiente per trasformare la nebbiosa "sovrapposizione" di una particella - lo stato di essere in più stati potenziali - in una realtà ben definita. "Evoca l'idea che questi orizzonti di buchi neri stiano guardando", ha detto il coautore Gautam Satischandran, un fisico teorico a Princeton.

"Quello che abbiamo scoperto potrebbe essere una realizzazione quantomeccanica [dell'universo partecipativo], ma dove lo spazio-tempo stesso gioca il ruolo dell'osservatore", ha detto Daine Danielson, il terzo autore, sempre a Chicago.

I teorici stanno ora discutendo su cosa leggere in questi buchi neri vigili. "Questo sembra dirci qualcosa di profondo sul modo in cui la gravità influenza la misurazione nella meccanica quantistica", ha detto Sam Gralla, un astrofisico teorico dell'Università dell'Arizona. Ma se questo si dimostrerà utile per i ricercatori che si avvicinano a una teoria completa della gravità quantistica è ancora una supposizione di nessuno.

L'effetto è uno dei tanti scoperti nell'ultimo decennio dai fisici che studiano cosa accade quando la teoria quantistica è combinata con la gravità a basse energie. Ad esempio, i teorici hanno avuto un grande successo pensando Radiazione di Hawking, che fa evaporare lentamente i buchi neri. "Effetti sottili che non avevamo davvero notato prima ci danno vincoli da cui possiamo raccogliere indizi su come salire verso la gravità quantistica", ha detto Alessio Lussasca, un fisico teorico della Vanderbilt University che non era coinvolto nella nuova ricerca.

Questi buchi neri osservanti sembrano produrre un effetto che è "molto interessante", ha detto Lupsasca, "perché sembra che in qualche modo sia profondo".

Buchi neri e sovrapposizioni

Per capire come un buco nero potrebbe osservare l'universo, inizia in piccolo. Si consideri il classico esperimento della doppia fenditura, in cui le particelle quantistiche vengono lanciate verso due fenditure in una barriera. Quelli che passano vengono poi rilevati da uno schermo dall'altra parte.

All'inizio, ogni particella in viaggio sembra apparire a caso sullo schermo. Ma quando più particelle passano attraverso le fessure, emerge uno schema di strisce chiare e scure. Questo modello suggerisce che ogni particella si comporta come onde che attraversano entrambe le fenditure contemporaneamente. Le bande derivano dai picchi e dalle depressioni delle onde che si sommano o si annullano a vicenda, un fenomeno chiamato interferenza.

Ora aggiungi un rivelatore per misurare quale delle due fenditure attraversa la particella. Il motivo delle strisce chiare e scure scomparirà. L'atto dell'osservazione cambia lo stato della particella: la sua natura ondulatoria scompare del tutto. I fisici affermano che le informazioni ottenute dall'apparato di rilevamento "decoeriscono" le possibilità quantistiche in una realtà definita.

È importante sottolineare che il tuo rilevatore non deve essere vicino alle fenditure per capire quale percorso ha preso la particella. Una particella carica, ad esempio, emette un campo elettrico a lungo raggio che potrebbe avere intensità leggermente diverse a seconda che abbia attraversato la fenditura di destra o di sinistra. Misurare questo campo da molto lontano ti consentirà comunque di raccogliere informazioni su quale percorso ha preso la particella e causerà quindi decoerenza.

Nel 2021, Wald, Satishchandran e Danielson stavano esplorando un paradosso che si verifica quando ipotetici osservatori raccolgono informazioni in questo modo. Hanno immaginato uno sperimentatore chiamato Alice che crea una particella in una sovrapposizione. In un secondo momento, cerca uno schema di interferenza. La particella mostrerà interferenza solo se non è diventata troppo entangled con nessun sistema esterno mentre Alice la osserva.

Poi arriva Bob, che sta tentando di misurare la posizione della particella da molto lontano misurando i campi a lungo raggio della particella. Secondo le regole di causalità, Bob non dovrebbe essere in grado di influenzare l'esito dell'esperimento di Alice, poiché l'esperimento dovrebbe essere terminato nel momento in cui i segnali di Bob arrivano ad Alice. Tuttavia, secondo le regole della meccanica quantistica, se Bob misura con successo la particella, questa rimarrà in entanglement con lui e Alice non vedrà uno schema di interferenza.

Il trio ha calcolato rigorosamente che la quantità di decoerenza dovuta alle azioni di Bob è sempre inferiore alla decoerenza che Alice causerebbe naturalmente dalla radiazione che emette (che si intreccia anche con la particella). Quindi Bob non potrebbe mai decoerizzare l'esperimento di Alice perché l'avrebbe già decoerizzato lei stessa. Sebbene una versione precedente di questo paradosso lo fosse risolto nel 2018 con un calcolo approssimativo di Wald e un altro team di ricercatori, Danielson ha fatto un ulteriore passo avanti.

Ha proposto un esperimento mentale ai suoi collaboratori: "Perché non posso mettere il rivelatore [di Bob] dietro un buco nero?" In una tale configurazione, una particella in una sovrapposizione al di fuori dell'orizzonte degli eventi emanerà campi che attraversano l'orizzonte e vengono rilevati da Bob dall'altra parte, all'interno del buco nero. Il rivelatore ottiene informazioni sulla particella, ma poiché l'orizzonte degli eventi è un "biglietto di sola andata", nessuna informazione può tornare indietro, ha detto Danielson. "Bob non può influenzare Alice dall'interno del buco nero, quindi la stessa decoerenza deve verificarsi senza Bob", ha scritto il team in una e-mail a Quanta. Il buco nero stesso deve decoerizzare la sovrapposizione.

"Nel linguaggio più poetico dell'universo partecipativo, è come se l'orizzonte osservasse le sovrapposizioni", ha detto Danielson.

Usando questa intuizione, hanno iniziato a lavorare su un calcolo esatto di come le sovrapposizioni quantistiche sono influenzate dallo spazio-tempo del buco nero. In un documento pubblicato sul server di prestampa arxiv.org a gennaio, sono giunti a una semplice formula che descrive la velocità con cui la radiazione attraversa l'orizzonte degli eventi e quindi provoca la decoerenza. "Il fatto che ci sia stato un effetto è stato, per me, molto sorprendente", ha detto Wald.

Capelli all'orizzonte

L'idea che gli orizzonti degli eventi raccolgano informazioni e causino decoerenza non è nuova. Nel 2016, Stephen Hawking, Malcolm Perry e Andrew Strominger descritta come le particelle che attraversano l'orizzonte degli eventi potrebbero essere accompagnate da radiazioni a bassissima energia che registrano informazioni su queste particelle. Questa intuizione è stata suggerita come soluzione al paradosso dell'informazione sui buchi neri, una profonda conseguenza della precedente scoperta di Hawking che i buchi neri emettono radiazioni.

Il problema era che la radiazione di Hawking assorbe energia dai buchi neri, facendoli evaporare completamente nel tempo. Questo processo sembrerebbe distruggere qualsiasi informazione caduta nel buco nero. Ma così facendo, contraddirebbe una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica: che le informazioni nell'universo non possono essere create o distrutte.

La radiazione a bassa energia proposta dal trio aggirerebbe questo problema consentendo ad alcune informazioni di essere distribuite in un alone attorno al buco nero e fuggire. I ricercatori hanno chiamato l'alone ricco di informazioni "capelli morbidi".

Wald, Satishchandran e Danielson non stavano indagando sul paradosso dell'informazione del buco nero. Ma il loro lavoro fa uso di capelli morbidi. In particolare, hanno dimostrato che i capelli morbidi si creano non solo quando le particelle cadono attraverso un orizzonte, ma anche quando le particelle al di fuori di un buco nero si spostano semplicemente in una posizione diversa. Qualsiasi sovrapposizione quantistica all'esterno si intreccierà con i capelli morbidi all'orizzonte, dando origine all'effetto di decoerenza che hanno identificato. In questo modo la sovrapposizione viene registrata come una sorta di “memoria” all'orizzonte.

Il calcolo è una "realizzazione concreta di capelli morbidi", ha detto Daniele Carney, un fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory. “È una bella carta. Potrebbe essere una costruzione molto utile per provare a far funzionare quell'idea in dettaglio.

Ma per Carney e molti altri teorici che lavorano in prima linea nella ricerca sulla gravità quantistica, questo effetto di decoerenza non è poi così sorprendente. La natura a lungo raggio della forza elettromagnetica e della gravità significa che "è difficile mantenere qualsiasi cosa isolata dal resto dell'universo", ha detto Daniele Harlow, fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology.

Decoerenza totale

Gli autori discutere che c'è qualcosa di unicamente "insidioso" in questo tipo di decoerenza. Di solito, i fisici possono controllare la decoerenza proteggendo il loro esperimento dall'ambiente esterno. Un vuoto, ad esempio, rimuove l'influenza delle molecole di gas vicine. Ma nulla può proteggere la gravità, quindi non c'è modo di isolare un esperimento dall'influenza a lungo raggio della gravità. "Alla fine, ogni sovrapposizione sarà completamente decoerizzata", ha detto Satishchandran. "Non c'è modo di aggirarlo."

Gli autori ritengono quindi che gli orizzonti dei buchi neri abbiano un ruolo più attivo nella decoerenza di quanto si sapesse in precedenza. "La geometria dell'universo stesso, al contrario della materia al suo interno, è responsabile della decoerenza", hanno scritto in una e-mail a Quanta.

Carney contesta questa interpretazione, affermando che il nuovo effetto di decoerenza può essere inteso anche come conseguenza dei campi elettromagnetici o gravitazionali, in combinazione con le regole dettate dalla causalità. E a differenza della radiazione di Hawking, dove l'orizzonte del buco nero cambia nel tempo, in questo caso l'orizzonte "non ha alcuna dinamica", ha detto Carney. “L'orizzonte non fa nulla, di per sé; Non userei quella lingua.

Per non violare la causalità, le sovrapposizioni all'esterno del buco nero devono essere decoerizzate alla massima velocità possibile che un ipotetico osservatore all'interno del buco nero potrebbe raccogliere informazioni su di esse. "Sembra puntare verso un nuovo principio sulla gravità, la misurazione e la meccanica quantistica", ha detto Gralla. "Non ti aspetti che ciò accada più di 100 anni dopo che la gravità e la meccanica quantistica sono state formulate".

Curiosamente, questo tipo di decoerenza si verificherà ovunque ci sia un orizzonte che consente alle informazioni di viaggiare solo in una direzione, creando il potenziale per paradossi di causalità. Il bordo dell'universo conosciuto, chiamato orizzonte cosmologico, è un altro esempio. Oppure considera l '"orizzonte di Rindler", che si forma dietro un osservatore che accelera continuamente e si avvicina alla velocità della luce, in modo che i raggi di luce non possano più raggiungerlo. Tutti questi "Orizzonti assassini" (che prendono il nome dal matematico tedesco della fine del XIX e dell'inizio del XX secolo) Guglielmo che uccide) provocano la decoerenza delle sovrapposizioni quantistiche. "Questi orizzonti ti stanno osservando esattamente allo stesso modo", ha detto Satishchandran.

Non è del tutto chiaro cosa significhi esattamente per il confine dell'universo conosciuto osservare tutto all'interno dell'universo. "Non capiamo l'orizzonte cosmologico", ha detto Lupsasca. "È super affascinante, ma molto più difficile dei buchi neri."

In ogni caso, proponendo esperimenti mentali come questo, in cui la gravità e la teoria quantistica si scontrano, i fisici sperano di conoscere il comportamento di una teoria unificata. "Questo probabilmente ci sta dando qualche indizio in più sulla gravità quantistica", ha detto Wald. Ad esempio, il nuovo effetto può aiutare i teorici a capire in che modo l'entanglement è correlato allo spazio-tempo.

"Questi effetti devono far parte della storia finale della gravità quantistica", ha detto Lupsasca. “Ora, saranno un indizio cruciale lungo la strada per raccogliere informazioni su quella teoria? Vale la pena indagare".

L'universo partecipativo

Mentre gli scienziati continuano a conoscere la decoerenza in tutte le sue forme, il concetto di universo partecipativo di Wheeler sta diventando più chiaro, ha affermato Danielson. Tutte le particelle nell'universo, a quanto pare, sono in una sottile sovrapposizione finché non vengono osservate. La definizione emerge attraverso le interazioni. "Questo è un po' quello che, credo, Wheeler aveva in mente", ha detto Danielson.

E la scoperta che i buchi neri e altri orizzonti di Killing osservano tutto, sempre, "che ti piaccia o no", è "più evocativa" dell'universo partecipativo rispetto agli altri tipi di decoerenza, hanno detto gli autori.

Non tutti sono pronti ad acquistare la filosofia di Wheeler su larga scala. “L'idea che l'universo osservi se stesso? Mi sembra un po' Jedi", ha detto Lupsasca, che tuttavia concorda sul fatto che "tutto si osserva continuamente attraverso le interazioni".

"Poeticamente, potresti pensarla in questo modo", ha detto Carney. "Personalmente, direi solo che la presenza dell'orizzonte significa che i campi che vivono intorno ad esso rimarranno bloccati all'orizzonte in un modo davvero interessante."

Quando Wheeler disegnò per la prima volta la "grande U" quando Wald era uno studente negli anni '1970, Wald non ci pensò molto. "L'idea di Wheeler mi è sembrata non così solidamente fondata", ha detto.

E adesso? "Molte delle cose che ha fatto sono state l'entusiasmo e alcune idee vaghe che in seguito si sono rivelate davvero azzeccate", ha detto Wald, osservando che Wheeler ha anticipato le radiazioni di Hawking molto prima che l'effetto fosse calcolato.

"Si vedeva come una lampada accesa per illuminare possibili percorsi da seguire per altre persone".