Kwantumsuperpositie is niet alleen een eigenschap van subatomaire deeltjes, maar ook van de meest massieve objecten in het universum. Dat is de conclusie van vier theoretisch natuurkundigen in Australië en Canada die de hypothetische respons berekenden van een deeltjesdetector die op enige afstand van een zwart gat is geplaatst. De onderzoekers zeggen dat de detector nieuwe tekenen van gesuperponeerde ruimtetijden zou zien, wat impliceert dat het zwarte gat twee verschillende massa's tegelijk kan hebben.
Zwarte gaten worden gevormd wanneer extreem massieve objecten zoals sterren instorten tot een singulariteit - een punt van oneindige dichtheid. Het zwaartekrachtveld van een zwart gat is zo groot dat niets aan zijn klauwen kan ontsnappen, zelfs licht niet. Dit creëert een bolvormig ruimtegebied rond de singulariteit, volledig afgesneden van de rest van het universum en begrensd door wat bekend staat als een gebeurtenishorizon.
Een actief gebied van onderzoek naar de fysica van zwarte gaten probeert een consistente theorie van kwantumzwaartekracht te ontwikkelen. Dit is een belangrijk doel van de theoretische natuurkunde die de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van Einstein zou verzoenen. Met name door zwarte gaten in kwantumsuperpositie te beschouwen, hopen natuurkundigen inzicht te krijgen in de kwantumaard van ruimte-tijd.
Unruh-deWitt-detector
In het nieuwste werk, gemeld in Physical Review Letters, Jozua Foo en Magdalena Zycho van de Universiteit van Queensland samen met Cémile Arabaci en Robert Mann aan de Universiteit van Waterloo schetsen wat zij beschrijven als een nieuw operationeel raamwerk voor het bestuderen van superposities tussen ruimte en tijd. In plaats van een "top-down" benadering te gebruiken om de algemene relativiteitstheorie te kwantiseren, kijken ze in plaats daarvan naar de effecten van de kwantumtoestand van een zwart gat op het gedrag van een specifiek fysiek apparaat dat een Unruh-deWitt-detector wordt genoemd.
Dit is een hypothetisch apparaat dat bestaat uit een tweetoestandensysteem, zoals een deeltje in een doos, gekoppeld aan een kwantumveld. Wanneer het zich in zijn lage energietoestand bevindt en wordt blootgesteld aan elektromagnetische straling van precies de juiste frequentie, springt het systeem naar zijn hogere toestand en registreert het een "klik".
Met zo'n detector kan in theorie gemeten worden Unruh straling, een warmtebad van deeltjes waarvan wordt voorspeld dat het vanuit het kwantumvacuüm zal verschijnen voor een waarnemer die door de ruimte versnelt. In het scenario dat in het nieuwe onderzoek is uiteengezet, zou het in plaats daarvan vastleggen Hawking straling. Dit is straling waarvan wordt voorspeld dat deze ontstaat wanneer virtuele deeltje-antideeltje-paren in het kwantumvacuüm uit elkaar worden gescheurd aan de waarnemingshorizon van een zwart gat - het antideeltje verdwijnt dan in de leegte en het deeltje wordt uitgezonden in de omringende ruimte.
In hun gedachte-experiment stelt het kwartet zich een Unruh-deWitt-detector voor die zich op een specifiek punt buiten de gebeurtenishorizon van een zwart gat bevindt, waarbij de vaste positie van de detector mogelijk wordt gemaakt door een versnelling weg van het zwarte gat die de Hawking-straling oplevert. De onderzoekers bekijken het effect van een superpositie van de massa van het zwarte gat op de output van die detector.
Superpositie van afstanden
Zoals ze uitleggen, leveren de twee massa's verschillende oplossingen op voor de veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie en daardoor verschillende ruimte-tijden. De resulterende superpositie van ruimte-tijd laat de detector op zijn beurt achter in een superpositie van afstanden vanaf de waarnemingshorizon, waardoor in feite een interferometer ontstaat waarvan de armen elk geassocieerd zijn met een van de massa's van het zwarte gat. De kans dat de detector klikt hangt af van welke massa's er in de superpositie aanwezig zijn.
Door de berekeningen uit te voeren voor een relatief eenvoudig zwart gat beschreven in twee ruimtelijke dimensies door de Banados-Teitelboim-Zanelli-formulering, verkregen de natuurkundigen een opvallend resultaat. Ze brachten de waarschijnlijkheid uit van het detecteren van een deeltje dat door het zwarte gat werd uitgezonden als een functie van de vierkantswortel van de superpositie-massaverhoudingen en vonden scherpe pieken wanneer die waarden gelijk waren aan 1/nmet n een geheel getal zijn.
Verstrengelde Hawking-straling gespot in analoog zwart gat
De onderzoekers schrijven dit gedrag toe aan constructieve interferentie tussen de straling in de interferometerarmen die overeenkomen met de massa's van zwarte gaten die de Amerikaans-Israëlische natuurkundige Jacob Bekenstein in de jaren zeventig voorspelde. Hij toonde aan dat het oppervlak van de waarnemingshorizon van een zwart gat – en dus zijn massa – een adiabatische invariant is. Dit is een fysieke eigenschap die constant blijft wanneer er langzaam op wordt gereageerd en die ertoe leidt dat de massa wordt gekwantiseerd.
"Dit resultaat biedt onafhankelijke ondersteuning voor het vermoeden van Bekenstein", schrijven de onderzoekers in Physical Review Letters, "aantonen hoe de excitatiekans van de detector een echte kwantumzwaartekrachteigenschap van een kwantumzwart gat kan onthullen".
De vier natuurkundigen benadrukken dat het resultaat voortkwam uit hun berekeningen zonder aan te nemen dat de massa van het zwarte gat binnen de discrete banden moest vallen die door het vermoeden van Bekenstein waren voorspeld. Ze voegen eraan toe dat hun techniek kan worden uitgebreid tot complexere beschrijvingen van zwarte gaten in drie ruimtelijke dimensies, wat volgens hen aanvullende inzichten zou opleveren met betrekking tot de effecten van kwantumzwaartekracht in ons universum.
