Zwarte gaten vernietigen nabijgelegen kwantumsuperposities, zo blijkt uit een gedachte-experiment

Zwarte gaten vernietigen nabijgelegen kwantumsuperposities, zo blijkt uit een gedachte-experiment

Tijdstempel: 2 maart 2023 8:58 uur

Gebeurtenis horizon
Dodende horizon: een gedachte-experiment suggereert dat de aanwezigheid van een zwart gat een kwantumsuperpositie kan ontrafelen. (Met dank aan: Shutterstock/Rost9)

Een nieuw gedachte-experiment suggereert dat alleen al de aanwezigheid van een zwart gat een nabijgelegen kwantum-ruimtelijke superpositie kan vernietigen. Het experiment, ontwikkeld door natuurkundigen in de VS, impliceert dat het langeafstandszwaartekrachtveld van het deeltje in de superpositie zal interageren met de gebeurtenishorizon van het zwarte gat, waardoor de kwantumsuperpositie binnen een eindige tijd zal decohereren.

Coherentie is een concept in de kwantummechanica dat het mogelijk maakt dat een systeem tegelijkertijd in een superpositie van verschillende kwantumtoestanden bestaat. Decoherentie is het proces waarbij een superpositie wordt vernietigd door een meting uit te voeren die het systeem in een specifieke toestand brengt. Meting is in dit geval een algemene term en verwijst naar een interactie tussen een kwantumsysteem en zijn omgeving. Een meting kan bijvoorbeeld een strooimagnetisch veld of een temperatuurschommeling zijn, maar ook een laboratoriumgebaseerde bepaling van een eigenschap van het systeem (zoals de polarisatie van een foton).

Superpositie en andere aspecten van de kwantummechanica leveren fantastisch werk bij het beschrijven van het gedrag van microscopische systemen. Natuurkundigen zijn er echter niet in geslaagd de zwaartekracht op te nemen in de beschrijving van de natuur in de kwantumtheorie. Tegenwoordig wordt de zwaartekracht het best beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, en het verenigen van de twee theorieën in een theorie van kwantumzwaartekracht is een belangrijk doel van de moderne natuurkunde. Dit is echter erg moeilijk gebleken omdat de effecten van kwantumzwaartekracht naar verwachting alleen relevant zullen zijn op zeer korte lengteschalen die overeenkomen met extreem hoge energieën – die de mogelijkheden van huidige en toekomstige deeltjesversnellers ruimschoots te boven gaan.

Kwantumdenken

Omdat echte experimenten niet mogelijk zijn, gebruiken natuurkundigen gedachte-experimenten om een ​​consistente theorie van kwantumzwaartekracht te ontwikkelen. Deze proberen het gedrag van kwantumsystemen onder extreme zwaartekrachtomstandigheden te begrijpen, zoals die bestaan ​​aan de waarnemingshorizon van een zwart gat. Dit is een grens rond een zwart gat, waarbuiten niets – zelfs licht niet – kan ontsnappen aan het immense zwaartekrachtveld van het zwarte gat. Dit houdt in dat informatie een zwart gat kan binnenkomen, maar niet kan verlaten.

Dit nieuwste gedachte-experiment is bedacht door natuurkundigen van de Universiteit van Chicago en Princeton University en wordt beschreven in een preprint over de arXiv server. Co-auteur Daine Daniëlson zegt dat het experiment rekening houdt met een verborgen waarnemer achter de waarnemingshorizon van een zwart gat.

Het gedachte-experiment omvat een enorm deeltje, zoals een elektron, dat wordt afgevuurd op een barrière die twee spleten bevat. Volgens de kwantummechanica zal het elektron zich gedragen als een golf die tegelijkertijd door beide spleten buigt. Met andere woorden: het elektron bevindt zich in een coherente ruimtelijke superpositie van twee toestanden, die elk door hun eigen spleet reizen. Als de elektronen een scherm achter de spleten raken, worden de twee toestanden opnieuw gecombineerd en ontstaat er een interferentiepatroon.

Alice en Bob

Het nieuwe gedachte-experiment beschrijft een dubbelspletenexperiment dat wordt uitgevoerd in de buurt van een zwart gat door een natuurkundige genaamd Alice. Er is ook een waarnemer genaamd Bob die zich in het zwarte gat bevindt.

Terwijl Alice haar tweespletenexperiment uitvoert, vereist een kwantumtheorie van de zwaartekracht dat het massieve deeltje via ‘zachte gravitonen’ met het zwarte gat interageert. Gravitonen zijn hypothetische dragers van het zwaartekrachtveld en zijn analoog aan fotonen – die dragers zijn van het elektromagnetische veld.

Deze zachte gravitonen kunnen worden geabsorbeerd door het zwarte gat, waar ze – althans in principe – door Bob kunnen worden gemeten. Door in de loop van de tijd meerdere metingen van zachte gravitonen uit te voeren, zou Bob de toestand van de kwantumsuperpositie in het experiment van Alice moeten kunnen afleiden. Met andere woorden, Bob voert een meting uit op het experiment van Alice van buiten de waarnemingshorizon van het zwarte gat, vanwaar hij ervoor zorgt dat de ruimtelijke superpositie uiteenvalt.

Causale paradox

Daarin schuilt de paradox. Hoe kan Bob het experiment van Alice ontrafelen als informatie niet buiten de gebeurtenishorizon kan reizen? Als je dat doet, schend je de causaliteit. Danielson en collega's beweren dat deze paradox alleen kan worden opgelost als het zwarte gat zelf het experiment van Alice decohereert voordat Bob dat kan.

Met andere woorden, zeggen ze, beïnvloedt het zwarte gat de kwantumsuperpositie op dezelfde manier als een klassieke waarnemer. “Hier hebben we een precieze situatie waarin de geometrie van het universum zelf een ‘bepaaldheid’ geeft aan een kwantumsuperpositie”, zegt Danielson.

In hun artikel stellen de onderzoekers dat hun analyse ook van toepassing is op andere soorten horizonten, zoals de kosmologische horizon – die de omvang van het waarneembare universum definieert. Dergelijke gedachte-experimenten zijn nuttig voor het onderzoeken van de fundamentele regels die een consistente theorie van kwantumzwaartekracht ooit zou kunnen hebben, zeggen de onderzoekers. “Elke theorie over kwantumzwaartekracht moet bijvoorbeeld het fundamentele kenmerk hebben dat zwarte gaten die als kwantumsystemen fungeren, als waarnemers fungeren”, zegt co-auteur Gautam Satishchandran.

Vlatko Vedral, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Oxford, zegt dat hij bedenkingen heeft bij sommige behandelingen in het artikel. Hij zegt dat de superpositie kwantummechanisch wordt behandeld, maar de auteurs behandelen het achtergrondzwaartekrachtveld – zoals het zwarte gat zelf – klassiek. “Het is niet duidelijk of een dergelijke benadering geldig is in de context die zij beschouwen”, zegt hij. Als de conclusies echter juist zijn, beschouwt Vedral ze als diepgaand. Het gedachte-experiment suggereert dat zwarte gaten kunnen dienen als een bron van onomkeerbaarheid – de vernietiging van een kwantumtoestand die nooit volledig kan worden hersteld. Omdat de zwaartekracht een oneindig groot bereik heeft, maakt het niet uit hoe ver een experiment verwijderd is van een zwart gat, zegt hij. Het decoherentie-effect dat de auteurs berekenen zou niet nul zijn. Daarom kan de creatie en recombinatie van kwantum-ruimtelijke superposities nooit volledig efficiënt zijn, omdat “een deel van [het systeem] altijd onomkeerbaar verloren gaat tot voorbij de horizon”, zegt hij.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld