La sovrapposizione quantistica non è solo una proprietà delle particelle subatomiche ma anche degli oggetti più massicci dell'universo. Questa è la conclusione di quattro fisici teorici in Australia e Canada che hanno calcolato la risposta ipotetica di un rivelatore di particelle posto a una certa distanza da un buco nero. I ricercatori affermano che il rivelatore vedrebbe nuovi segni di spazi-tempi sovrapposti, il che implica che il buco nero potrebbe avere due masse diverse contemporaneamente.
I buchi neri si formano quando oggetti estremamente massicci come le stelle collassano in una singolarità, un punto di densità infinita. Il campo gravitazionale di un buco nero è così grande che nulla può sfuggire alle sue grinfie, nemmeno la luce. Questo crea una regione sferica dello spazio attorno alla singolarità completamente tagliata fuori dal resto dell'universo e delimitata da quello che è noto come orizzonte degli eventi.
Un'area attiva di ricerca sulla fisica dei buchi neri cerca di sviluppare una teoria coerente della gravità quantistica. Questo è un obiettivo importante della fisica teorica che riconcilia la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein. In particolare, considerando i buchi neri nella sovrapposizione quantistica, i fisici sperano di ottenere informazioni sulla natura quantistica dello spazio-tempo.
Rivelatore Unruh-deWitt
Nel ultimo lavoro, segnalato in Physical Review Letters, Giosuè Foo ed Maddalena Zych dell'Università del Queensland insieme a Cemile Arabaci ed Roberto Mann presso l'Università di Waterloo delineano quello che descrivono come un nuovo quadro operativo per lo studio delle sovrapposizioni spazio-temporali. Piuttosto che utilizzare un approccio "dall'alto verso il basso" per quantizzare la relatività generale, considerano invece gli effetti dello stato quantico di un buco nero sul comportamento di uno specifico dispositivo fisico chiamato rivelatore Unruh-deWitt.
Si tratta di un dispositivo ipotetico che comprende un sistema a due stati, come una particella in una scatola, accoppiato a un campo quantistico. Quando si trova nel suo stato di bassa energia ed esposto a radiazioni elettromagnetiche della giusta frequenza, il sistema salta al suo stato più alto e registra un "clic".
Questo tipo di rilevatore può in teoria essere utilizzato per misurare Radiazioni Unruh, un bagno di calore di particelle che dovrebbe apparire dal vuoto quantistico a un osservatore che sta accelerando attraverso lo spazio. Nello scenario delineato nella nuova ricerca, catturerebbe invece Radiazione di Hawking. Questa è la radiazione che si prevede venga creata quando le coppie virtuali particella-antiparticella all'interno del vuoto quantistico vengono fatte a pezzi all'orizzonte degli eventi di un buco nero: l'antiparticella poi scompare nel vuoto e la particella viene emessa nello spazio circostante.
Nel loro esperimento mentale, il quartetto prevede un rivelatore Unruh-deWitt situato in un punto specifico al di fuori dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, con la posizione fissa del rivelatore abilitata da un'accelerazione lontano dal buco nero che produce la radiazione di Hawking. I ricercatori considerano l'effetto di una sovrapposizione della massa del buco nero sull'uscita di quel rivelatore.
Sovrapposizione di distanze
Come spiegano, le due masse forniscono soluzioni diverse alle equazioni di campo della relatività generale e quindi spazi-tempi distinti. La risultante sovrapposizione di spazio-tempi a sua volta lascia il rivelatore in una sovrapposizione di distanze dall'orizzonte degli eventi, creando quello che è in effetti un interferometro i cui bracci sono ciascuno associato a una delle masse del buco nero. La probabilità che il rilevatore scatti dipende da quali masse sono presenti nella sovrapposizione.
Facendo i calcoli per un buco nero relativamente semplice descritto in due dimensioni spaziali dalla formulazione Banados-Teitelboim-Zanelli, i fisici hanno ottenuto un risultato sorprendente. Hanno tracciato la probabilità di rilevare una particella emessa dal buco nero in funzione della radice quadrata dei rapporti di massa di sovrapposizione e hanno trovato picchi acuti quando quei valori erano pari a 1/n, con n essendo un numero intero.
Radiazione di Hawking entangled avvistata in un buco nero analogico
I ricercatori attribuiscono questo comportamento all'interferenza costruttiva tra la radiazione nei bracci dell'interferometro che corrispondono alle masse del buco nero previste dal fisico americano-israeliano Jacob Bekenstein negli anni '1970. Ha dimostrato che la superficie dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, e quindi la sua massa, è un'invariante adiabatica. Questa è una proprietà fisica che rimane costante quando si agisce lentamente e che determina la quantizzazione della massa.
"Questo risultato fornisce un supporto indipendente alla congettura di Bekenstein", scrivono i ricercatori Physical Review Letters, "dimostrando come la probabilità di eccitazione del rivelatore possa rivelare una proprietà genuinamente quanto-gravitazionale di un buco nero quantistico".
I quattro fisici sottolineano che il risultato è emerso dai loro calcoli senza assumere che la massa del buco nero dovesse rientrare nelle bande discrete previste dalla congettura di Bekenstein. Aggiungono che la loro tecnica potrebbe essere estesa a descrizioni più complesse di buchi neri in tre dimensioni spaziali, che, secondo loro, fornirebbero ulteriori approfondimenti sugli effetti della gravità quantistica nel nostro universo.
