Kvantesuperposisjon er ikke bare en egenskap til subatomære partikler, men også til de mest massive objektene i universet. Det er konklusjonen til fire teoretiske fysikere i Australia og Canada som beregnet den hypotetiske responsen til en partikkeldetektor plassert et stykke fra et sort hull. Forskerne sier at detektoren vil se nye tegn på overlagrede romtider, noe som antyder at det sorte hullet kan ha to forskjellige masser samtidig.
Sorte hull dannes når ekstremt massive objekter som stjerner kollapser til en singularitet - et punkt med uendelig tetthet. Gravitasjonsfeltet til et sort hull er så stort at ingenting kan unnslippe klørne, ikke engang lys. Dette skaper et sfærisk område av rom rundt singulariteten helt avskåret fra resten av universet og avgrenset av det som er kjent som en hendelseshorisont.
Et aktivt område for forskning på fysikken til svarte hull søker å utvikle en konsistent teori om kvantetyngdekraften. Dette er et viktig mål for teoretisk fysikk som ville forene kvantemekanikk og Einsteins generelle relativitetsteori. Spesielt, ved å vurdere svarte hull i kvantesuperposisjon, håper fysikere å få innsikt i rom-tidens kvantenatur.
Unruh–deWitt-detektor
på siste arbeid, rapportert i Physical Review Letters, Joshua Foo og Magdalena Zych fra University of Queensland sammen med Cemile Arabaci og Robert Mann ved University of Waterloo skisserer det de beskriver som et nytt operativt rammeverk for å studere rom-tid superposisjoner. I stedet for å bruke en "top-down" tilnærming for å kvantisere generell relativitet, vurderer de i stedet effekten av et svart hulls kvantetilstand på oppførselen til en spesifikk fysisk enhet kalt en Unruh–deWitt-detektor.
Dette er en hypotetisk enhet som omfatter et to-tilstandssystem, for eksempel en partikkel i en boks, koblet til et kvantefelt. Når det er i lavenergitilstand og utsatt for elektromagnetisk stråling med akkurat riktig frekvens, hopper systemet til høyere tilstand og registrerer et "klikk".
Denne typen detektorer kan i teorien brukes til å måle Unruh stråling, et varmebad av partikler som er spådd å dukke opp fra kvantevakuumet til en observatør som akselererer gjennom rommet. I scenariet som er lagt ut i den nye forskningen, ville det i stedet fange opp Hawking stråling. Dette er stråling som er spådd å bli skapt når virtuelle partikkel-antipartikkel-par i kvantevakuumet rives fra hverandre ved et sort hulls hendelseshorisont - antipartiklen forsvinner deretter inn i tomrommet og partikkelen sendes ut i det omkringliggende rommet.
I tankeeksperimentet deres ser kvartetten for seg en Unruh–deWitt-detektor plassert på et spesifikt punkt utenfor et sort hulls hendelseshorisont, med detektorens faste posisjon aktivert av en akselerasjon bort fra det sorte hullet som gir Hawking-strålingen. Forskerne vurderer effekten av en superposisjon av det sorte hullets masse på utgangen fra den detektoren.
Superposisjon av avstander
Som de forklarer, gir de to massene forskjellige løsninger på feltligningene til generell relativitet og dermed distinkte romtider. Den resulterende superposisjonen av rom-tider etterlater i sin tur detektoren i en superposisjon av avstander fra hendelseshorisonten, og skaper det som i realiteten er et interferometer hvis armer hver er assosiert med en av de sorte hull-massene. Sannsynligheten for at detektoren klikker avhenger av hvilke masser som finnes i superposisjonen.
Ved å gjøre beregningene for et relativt enkelt svart hull beskrevet i to romlige dimensjoner av Banados-Teitelboim-Zanelli-formuleringen, oppnådde fysikerne et slående resultat. De plottet sannsynligheten for å oppdage en partikkel som sendes ut av det sorte hullet som en funksjon av kvadratroten av superposisjonsmasseforholdene og fant skarpe topper når disse verdiene var lik 1/nmed n være et heltall.
Entangled Hawking-stråling oppdaget i analogt svart hull
Forskerne tilskriver denne oppførselen konstruktiv interferens mellom strålingen i interferometerarmene som tilsvarer de sorte hullmassene som den amerikansk-israelske fysikeren Jacob Bekenstein forutså på 1970-tallet. Han viste at overflatearealet til et sort hulls hendelseshorisont – og derfor massen – er en adiabatisk invariant. Dette er en fysisk egenskap som forblir konstant når den påvirkes sakte og som resulterer i at massen blir kvantifisert.
"Dette resultatet gir uavhengig støtte for Bekensteins formodning," skriver forskerne i Physical Review Letters, "som demonstrerer hvordan detektorens eksitasjonssannsynlighet kan avsløre en genuin kvantegravitasjonsegenskap til et kvantesvart hull".
De fire fysikerne understreker at resultatet kom fra deres beregninger uten å anta at sorthullmassen måtte falle innenfor de diskrete båndene som ble forutsagt av Bekensteins formodning. De legger til at teknikken deres kan utvides til mer komplekse beskrivelser av sorte hull i tre romlige dimensjoner, som de sier ville gi ytterligere innsikt angående virkningene av kvantetyngdekraften i universet vårt.
