Zwarte gaten zullen uiteindelijk alle kwantumtoestanden vernietigen, betogen onderzoekers

Aan de Princeton University in de vroege jaren zeventig kon de gevierde theoretisch natuurkundige John Wheeler worden gezien tijdens seminars of geïmproviseerde gangdiscussies met een grote 'U'. De linkerpunt van de letter vertegenwoordigde het begin van het universum, waar alles onzeker was en alle kwantummogelijkheden tegelijkertijd plaatsvonden. De rechterpunt van de letter, soms versierd met een oog, beeldde een waarnemer af die terugkijkt in de tijd, waardoor de linkerkant van de U ontstond.

In dit 'deelnemende universum', zoals Wheeler het noemde, breidde de kosmos zich uit en koelde af rond de U, vormde structuren en creëerde uiteindelijk waarnemers, zoals mensen en meetapparatuur. Door terug te kijken naar het vroege universum, hebben deze waarnemers het op de een of andere manier werkelijkheid gemaakt.

"Hij zou dingen zeggen als 'Geen enkel fenomeen is een echt fenomeen totdat het een waargenomen fenomeen is'," zei hij Robert M Wald, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Chicago die destijds de doctoraalstudent van Wheeler was.

Door nu te bestuderen hoe de kwantumtheorie zich gedraagt ​​aan de horizon van een zwart gat, hebben Wald en zijn medewerkers een nieuw effect berekend dat doet denken aan het participatieve universum van Wheeler. De loutere aanwezigheid van een zwart gat, zo hebben ze gevonden, is genoeg om de vage "superpositie" van een deeltje - de staat van zijn in meerdere potentiële toestanden - om te zetten in een goed gedefinieerde realiteit. "Het roept het idee op dat deze zwarte gaten naar de horizon kijken", zei co-auteur Gautam Satishchandran, een theoretisch natuurkundige aan Princeton.

"Wat we hebben gevonden, is misschien een kwantummechanische realisatie van [het participatieve universum], maar waar ruimte-tijd zelf de rol van waarnemer speelt," zei Daine Daniëlson, de derde auteur, ook in Chicago.

Theoretici debatteren nu over wat ze in deze waakzame zwarte gaten moeten lezen. "Dit lijkt ons iets diepgaands te vertellen over de manier waarop zwaartekracht metingen in de kwantummechanica beïnvloedt," zei Sam Grala, een theoretisch astrofysicus aan de Universiteit van Arizona. Maar of dit nuttig zal zijn voor onderzoekers die op weg zijn naar een volledige theorie van kwantumzwaartekracht, is nog steeds een raadsel.

Het effect is een van de vele die in het afgelopen decennium zijn ontdekt door natuurkundigen die bestuderen wat er gebeurt als de kwantumtheorie wordt gecombineerd met zwaartekracht bij lage energieën. Theoretici hebben bijvoorbeeld veel succes gehad met nadenken over Hawking straling, waardoor zwarte gaten langzaam verdampen. "Subtiele effecten die we eerder niet echt hadden opgemerkt, geven ons beperkingen waaruit we aanwijzingen kunnen halen over hoe we omhoog kunnen gaan naar kwantumzwaartekracht", zei Alex Lupsasca, een theoretisch natuurkundige aan de Vanderbilt University die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek.

Deze oplettende zwarte gaten lijken een effect te produceren dat "zeer arresterend" is, zei Lupsasca, "omdat het voelt alsof het op de een of andere manier diep is."

Zwarte gaten en superposities

Begin klein om te begrijpen hoe een zwart gat het universum kan observeren. Overweeg het klassieke experiment met dubbele spleet, waarbij kwantumdeeltjes in de richting van twee spleten in een barrière worden geschoten. De passanten worden dan gedetecteerd door een scherm aan de andere kant.

In eerste instantie lijkt elk reizend deeltje willekeurig op het scherm te verschijnen. Maar naarmate er meer deeltjes door de spleten gaan, ontstaat er een patroon van lichte en donkere strepen. Dit patroon suggereert dat elk deeltje zich gedraagt ​​als golven die tegelijk door beide spleten gaan. De banden zijn het resultaat van de pieken en dalen van de golven die elkaar optellen of opheffen - een fenomeen dat interferentie wordt genoemd.

Voeg nu een detector toe om te meten door welke van de twee spleten het deeltje gaat. Het patroon van lichte en donkere strepen zal verdwijnen. De waarneming verandert de toestand van het deeltje - zijn golfachtige aard verdwijnt volledig. Natuurkundigen zeggen dat de informatie die door het detectieapparaat wordt verkregen, de kwantummogelijkheden "decohereert" tot een bepaalde realiteit.

Belangrijk is dat je detector niet dicht bij de spleten hoeft te zijn om erachter te komen welk pad het deeltje heeft gevolgd. Een geladen deeltje zendt bijvoorbeeld een elektrisch veld met een groot bereik uit dat enigszins verschillende sterktes kan hebben, afhankelijk van of het door de rechter- of linkerspleet is gegaan. Door dit veld van ver te meten, kun je nog steeds informatie verzamelen over de weg die het deeltje heeft afgelegd en dus decoherentie veroorzaken.

In 2021, Wald, Satishchandran en Danielson onderzochten een paradox die ontstaat wanneer hypothetische waarnemers op deze manier informatie verzamelen. Ze stelden zich een experimentator voor, Alice genaamd, die een deeltje in een superpositie creëert. Op een later tijdstip zoekt ze naar een interferentiepatroon. Het deeltje zal alleen interferentie vertonen als het niet te verstrikt is geraakt in een extern systeem terwijl Alice het observeert.

Dan komt Bob langs, die probeert de positie van het deeltje van ver te meten door de langeafstandsvelden van het deeltje te meten. Volgens de regels van causaliteit zou Bob de uitkomst van het experiment van Alice niet moeten kunnen beïnvloeden, aangezien het experiment voorbij zou moeten zijn tegen de tijd dat de signalen van Bob Alice bereiken. Echter, volgens de regels van de kwantummechanica, als Bob het deeltje met succes meet, zal het met hem verstrikt raken en zal Alice geen interferentiepatroon zien.

Het trio berekende rigoureus dat de hoeveelheid decoherentie als gevolg van Bobs acties altijd kleiner is dan de decoherentie die Alice van nature zou veroorzaken door de straling die ze uitzendt (die ook verstrikt raakt in het deeltje). Dus Bob zou het experiment van Alice nooit kunnen ontcijferen omdat ze het zelf al zou hebben ontcijferd. Hoewel een eerdere versie van deze paradox was opgelost in 2018 met een back-of-the-envelope-berekening door Wald en een ander team van onderzoekers, ging Danielson nog een stap verder.

Hij stelde een gedachte-experiment voor aan zijn medewerkers: "Waarom kan ik de detector van [Bob] niet achter een zwart gat plaatsen?" In zo'n opstelling zal een deeltje in een superpositie buiten de waarnemingshorizon velden uitstralen die de horizon kruisen en door Bob aan de andere kant, in het zwarte gat, worden gedetecteerd. De detector verzamelt informatie over het deeltje, maar aangezien de waarnemingshorizon een "enkele reis" is, kan er geen informatie worden overgedragen, zei Danielson. "Bob kan Alice niet beïnvloeden vanuit het zwarte gat, dus dezelfde decoherentie moet plaatsvinden zonder Bob", schreef het team in een e-mail aan Quanta. Het zwarte gat zelf moet de superpositie ontrafelen.

"In de meer poëtische taal van het participatieve universum is het alsof de horizon naar superposities kijkt", zei Danielson.

Met dit inzicht gingen ze aan de slag met een exacte berekening van hoe kwantumsuperposities worden beïnvloed door de ruimte-tijd van het zwarte gat. In een krant gepubliceerd op de preprint-server arxiv.org in januari, belandden ze op een eenvoudige formule die de snelheid beschrijft waarmee straling de waarnemingshorizon passeert en zo decoherentie veroorzaakt. "Dat er überhaupt een effect was, was voor mij heel verrassend," zei Wald.

Haar aan de horizon

Het idee dat waarnemingshorizons informatie verzamelen en decoherentie veroorzaken, is niet nieuw. In 2016 Stephen Hawking, Malcolm Perry en Andrew Strominger beschreven hoe deeltjes die de waarnemingshorizon passeren, vergezeld kunnen gaan van zeer energiezuinige straling die informatie over deze deeltjes vastlegt. Dit inzicht werd voorgesteld als een oplossing voor de informatieparadox van zwarte gaten, een diepgaand gevolg van Hawking's eerdere ontdekking dat zwarte gaten straling uitzenden.

Het probleem was dat Hawking-straling energie uit zwarte gaten afvoert, waardoor ze na verloop van tijd volledig verdampen. Dit proces lijkt alle informatie die in het zwarte gat is gevallen te vernietigen. Maar daarmee zou het in tegenspraak zijn met een fundamenteel kenmerk van de kwantummechanica: dat informatie in het universum niet kan worden gecreëerd of vernietigd.

De door het trio voorgestelde energiezuinige straling zou dit omzeilen door wat informatie in een halo rond het zwarte gat te verspreiden en te ontsnappen. De onderzoekers noemden de informatierijke halo 'zacht haar'.

Wald, Satishchandran en Danielson onderzochten de informatieparadox van zwarte gaten niet. Maar hun werk maakt gebruik van zacht haar. Ze toonden met name aan dat zacht haar niet alleen ontstaat wanneer deeltjes over een horizon vallen, maar ook wanneer deeltjes buiten een zwart gat zich alleen maar naar een andere locatie verplaatsen. Elke kwantumsuperpositie buiten zal verstrikt raken in zacht haar aan de horizon, waardoor het decoherentie-effect ontstaat dat ze hebben geïdentificeerd. Zo wordt de superpositie vastgelegd als een soort “herinnering” aan de horizon.

De berekening is een "concrete realisatie van zacht haar", zei Daniël Carney, een theoretisch natuurkundige aan het Lawrence Berkeley National Laboratory. “Het is een coole krant. Het zou een zeer nuttige constructie kunnen zijn om te proberen dat idee tot in detail te laten werken.

Maar voor Carney en verschillende andere theoretici die in de voorhoede van het kwantumzwaartekrachtonderzoek werken, is dit decoherentie-effect niet zo verrassend. Het langeafstandskarakter van de elektromagnetische kracht en zwaartekracht betekent dat "het moeilijk is om iets geïsoleerd te houden van de rest van het universum", zei Daniël Harlow, een theoretisch natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology.

Totale decoherentie

De auteurs argumenteren dat er iets unieks "verraderlijks" is aan dit soort decoherentie. Gewoonlijk kunnen natuurkundigen decoherentie beheersen door hun experiment af te schermen van de buitenomgeving. Een vacuüm neemt bijvoorbeeld de invloed van nabijgelegen gasmoleculen weg. Maar niets kan de zwaartekracht afschermen, dus er is geen manier om een ​​experiment te isoleren van de invloed van de zwaartekracht op lange afstand. "Uiteindelijk zal elke superpositie volledig worden ontleed," zei Satishchandran. "Er is geen manier om er omheen te komen."

De auteurs beschouwen daarom de horizonten van zwarte gaten als een actievere rol in decoherentie dan voorheen bekend was. "De geometrie van het universum zelf, in tegenstelling tot de materie erin, is verantwoordelijk voor de decoherentie", schreven ze in een e-mail aan Quanta.

Carney betwist deze interpretatie en zegt dat het nieuwe decoherentie-effect ook kan worden opgevat als een gevolg van elektromagnetische of zwaartekrachtvelden, in combinatie met regels die worden bepaald door causaliteit. En in tegenstelling tot Hawking-straling, waar de horizon van een zwart gat in de loop van de tijd verandert, heeft de horizon in dit geval "geen enkele dynamiek", zei Carney. “De horizon doet op zich niets; Die taal zou ik niet gebruiken.”

Om de causaliteit niet te schenden, moeten superposities buiten het zwarte gat zo snel mogelijk worden ontleed dat een hypothetische waarnemer in het zwarte gat er informatie over zou kunnen verzamelen. "Het lijkt te wijzen op een nieuw principe over zwaartekracht, meten en kwantummechanica," zei Gralla. "Je verwacht niet dat dit meer dan 100 jaar na de formulering van de zwaartekracht en de kwantummechanica zal gebeuren."

Het is intrigerend dat dit soort decoherentie overal zal optreden waar een horizon is die informatie slechts in één richting laat reizen, waardoor het potentieel voor causaliteitsparadoxen ontstaat. De rand van het bekende universum, de kosmologische horizon genoemd, is een ander voorbeeld. Of denk aan de "Rindler-horizon", die zich vormt achter een waarnemer die voortdurend versnelt en de snelheid van het licht benadert, zodat lichtstralen ze niet meer kunnen inhalen. Al deze "Killing horizons" (genoemd naar de laat 19e-begin 20e-eeuwse Duitse wiskundige Wilhelm Moord) zorgen ervoor dat kwantumsuperposities decohereren. "Deze horizonten houden je echt op precies dezelfde manier in de gaten," zei Satishchandran.

Wat het precies betekent voor de rand van het bekende universum om alles in het universum te bekijken, is niet helemaal duidelijk. "We begrijpen de kosmologische horizon niet," zei Lupsasca. "Het is super fascinerend, maar veel moeilijker dan zwarte gaten."

In ieder geval hopen natuurkundigen door gedachte-experimenten als deze te stellen, waarbij zwaartekracht en kwantumtheorie botsen, meer te weten te komen over het gedrag van een verenigde theorie. "Dit geeft ons waarschijnlijk meer aanwijzingen over kwantumzwaartekracht," zei Wald. Het nieuwe effect kan bijvoorbeeld theoretici helpen begrijpen hoe verstrengeling verband houdt met ruimte-tijd.

"Deze effecten moeten deel uitmaken van het laatste verhaal van kwantumzwaartekracht", zei Lupsasca. 'Zullen ze nu een cruciale aanwijzing zijn om inzicht te krijgen in die theorie? Het is het onderzoeken waard.”

Het participatieve universum

Terwijl wetenschappers blijven leren over decoherentie in al zijn vormen, wordt Wheelers concept van het participatieve universum steeds duidelijker, zei Danielson. Alle deeltjes in het universum, zo lijkt het, bevinden zich in een subtiele superpositie totdat ze worden waargenomen. Vastheid ontstaat door interacties. "Dat is wat, denk ik, Wheeler in gedachten had," zei Danielson.

En de bevinding dat zwarte gaten en andere dodende horizonten alles observeren, de hele tijd, "of je het nu leuk vindt of niet", is "meer suggestief" voor het participatieve universum dan de andere soorten decoherentie, aldus de auteurs.

Niet iedereen is bereid om de filosofie van Wheeler op grote schaal te kopen. “Het idee dat het universum zichzelf waarneemt? Dat klinkt een beetje Jedi voor mij', zei Lupsasca, die het er niettemin mee eens is dat 'alles zichzelf voortdurend observeert door middel van interacties'.

"Poëtisch gezien zou je het zo kunnen zien," zei Carney. "Persoonlijk zou ik zeggen dat de aanwezigheid van de horizon betekent dat de velden die eromheen leven op een heel interessante manier aan de horizon blijven hangen."

Toen Wheeler voor het eerst de 'grote U' tekende toen Wald in de jaren zeventig student was, dacht Wald er niet veel over na. "Wheeler's idee leek me niet zo stevig gefundeerd," zei hij.

En nu? "Veel van de dingen die hij deed, waren enthousiasme en enkele vage ideeën die later echt goed bleken te zijn, " zei Wald, erop wijzend dat Wheeler Hawking-straling anticipeerde lang voordat het effect werd berekend.

"Hij zag zichzelf als iemand die een lamp uitstak om mogelijke paden te verlichten die andere mensen kunnen volgen."