סופרפוזיציה קוונטית היא לא רק תכונה של חלקיקים תת-אטומיים אלא גם של העצמים המסיביים ביותר ביקום. זו המסקנה של ארבעה פיזיקאים תיאורטיים באוסטרליה וקנדה שחישבו את התגובה ההיפותטית של גלאי חלקיקים שנמצא במרחק מה מחור שחור. החוקרים טוענים כי הגלאי יראה סימנים חדשים של זמני מרחב מרומזים, מה שמרמז כי לחור השחור עשויות להיות שתי מסות שונות בו זמנית.
חורים שחורים נוצרים כאשר עצמים מסיביים במיוחד כמו כוכבים קורסים לייחודיות - נקודה של צפיפות אינסופית. שדה הכבידה של חור שחור הוא כל כך גדול ששום דבר לא יכול להימלט מציפורניו, אפילו לא אור. זה יוצר אזור כדורי של מרחב סביב הייחודיות המנותק לחלוטין משאר היקום וגובל במה שמכונה אופק אירועים.
תחום פעיל של מחקר על הפיזיקה של חורים שחורים מבקש לפתח תיאוריה עקבית של כוח הכבידה הקוונטית. זוהי מטרה חשובה של הפיזיקה התיאורטית שתיישב בין מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות הכללית של איינשטיין. בפרט, על ידי בחינת חורים שחורים בסופרפוזיציה קוונטית, פיסיקאים מקווים להשיג תובנות לגבי הטבע הקוונטי של מרחב-זמן.
גלאי Unruh–deWitt
ב העבודה האחרונה, דווח ב- מכתבי סקירה פיזית, ג'ושוע פו ו מגדלנה זיך מאוניברסיטת קווינסלנד יחד עם סמיל ערבאצ'י ו רוברט מאן באוניברסיטת ווטרלו מתארים את מה שהם מתארים כמסגרת מבצעית חדשה לחקר סופרפוזיציות מרחב-זמן. במקום להשתמש בגישה "מלמעלה למטה" כדי לכמת את תורת היחסות הכללית, הם רואים במקום זאת את ההשפעות של המצב הקוונטי של חור שחור על התנהגותו של מכשיר פיזי ספציפי הנקרא גלאי Unruh-deWitt.
זהו מכשיר היפותטי המורכב ממערכת דו-מצבית, כגון חלקיק בקופסה, המחוברת לשדה קוונטי. כשהיא במצב אנרגיה נמוכה וחשופה לקרינה אלקטרומגנטית בדיוק בתדר הנכון, המערכת קופצת למצבה הגבוה יותר ורושמת "קליק".
בתיאוריה ניתן להשתמש בגלאי מסוג זה למדידה קרינה אולטרה, אמבט חום של חלקיקים שצפוי להופיע מהוואקום הקוונטי אל צופה שמאיץ בחלל. בתרחיש שנקבע במחקר החדש, הוא יתפוס במקום זאת קרינת נץ. זוהי קרינה שצפויה להיווצר כאשר זוגות וירטואליים של חלקיקים-אנטי-חלקיקים בתוך הוואקום הקוונטי נקרעים לגזרים באופק האירועים של חור שחור - אז האנטי-חלקיק נעלם לתוך הריק והחלקיק נפלט לחלל שמסביב.
בניסוי המחשבתי שלהם, הרביעייה חזתה גלאי Unruh-deWitt הממוקם בנקודה ספציפית מחוץ לאופק האירועים של חור שחור, כאשר המיקום הקבוע של הגלאי מתאפשר על ידי תאוצה הרחק מהחור השחור שמפיק את קרינת הוקינג. החוקרים שוקלים את ההשפעה של סופרפוזיציה של מסת החור השחור על הפלט של אותו גלאי.
סופרפוזיציה של מרחקים
כפי שהם מסבירים, שתי המסות מניבות פתרונות שונים למשוואות השדה של תורת היחסות הכללית ובכך לזמני מרחב מובחנים. הסופרפוזיציה המתקבלת של מרחב-זמנים משאירה את הגלאי בסופרפוזיציה של מרחקים מאופק האירועים, ויוצרת מה שהוא למעשה אינטרפרומטר שכל זרועותיו קשורות לאחת ממסת החורים השחורים. ההסתברות שהגלאי ילחץ תלויה באילו מסות קיימות בסופרפוזיציה.
בביצוע החישובים עבור חור שחור פשוט יחסית המתואר בשני ממדים מרחביים על ידי הניסוח של בנאדוס-טיטלבוים-זנלי, הפיזיקאים השיגו תוצאה בולטת. הם שרטטו את ההסתברות לגילוי חלקיק הנפלט מהחור השחור כפונקציה של השורש הריבועי של יחסי המסה בסופרפוזיציה ומצאו פסגות חדות כאשר ערכים אלו היו שווים ל-1/nעם n בהיותו מספר שלם.
קרינת הוקינג סבוכה נצפתה בחור שחור אנלוגי
החוקרים מייחסים התנהגות זו להפרעה בונה בין הקרינה בזרועות האינטרפרומטר התואמת את מסת החורים השחורים שחזה הפיזיקאי האמריקני-ישראלי ג'ייקוב בקנשטיין בשנות ה-1970. הוא הראה ששטח הפנים של אופק האירועים של חור שחור - ולכן המסה שלו - הוא אינוריאנט אדיאבטי. זוהי תכונה פיזיקלית שנשארת קבועה כאשר היא פועלת לאט ואשר מביאה לכימות המסה.
"תוצאה זו מספקת תמיכה עצמאית להשערה של בקנשטיין", כותבים החוקרים מכתבי סקירה פיזית, "מדגים כיצד ההסתברות לעירור של הגלאי יכולה לחשוף תכונה קוונטית-כבידה אמיתית של חור שחור קוונטי".
ארבעת הפיזיקאים מדגישים כי התוצאה עלתה מהחישובים שלהם מבלי להניח שמסת החורים השחורים הייתה צריכה ליפול בתוך הרצועות הבדידות שנחזה בהשערתו של בקנשטיין. הם מוסיפים כי ניתן להרחיב את הטכניקה שלהם לתיאורים מורכבים יותר של חורים שחורים בשלושה ממדים מרחביים, שלדבריהם יספקו תובנות נוספות לגבי השפעות הכבידה הקוונטית ביקום שלנו.
