Superpozycja kwantowa jest nie tylko właściwością cząstek subatomowych, ale także najbardziej masywnych obiektów we wszechświecie. Do takiego wniosku doszli czterej fizycy teoretyczni z Australii i Kanady, którzy obliczyli hipotetyczną reakcję detektora cząstek umieszczonego w pewnej odległości od czarnej dziury. Naukowcy twierdzą, że detektor dostrzegłby nowe oznaki nakładających się czasoprzestrzeni, co sugeruje, że czarna dziura może mieć jednocześnie dwie różne masy.
Czarne dziury powstają, gdy niezwykle masywne obiekty, takie jak gwiazdy, zapadają się do osobliwości – punktu o nieskończonej gęstości. Pole grawitacyjne czarnej dziury jest tak wielkie, że nic nie może uciec z jego szponów, nawet światło. Tworzy to sferyczny obszar przestrzeni wokół osobliwości całkowicie odcięty od reszty wszechświata i ograniczony tak zwanym horyzontem zdarzeń.
Aktywny obszar badań fizyki czarnych dziur ma na celu opracowanie spójnej teorii grawitacji kwantowej. Jest to ważny cel fizyki teoretycznej, który pogodzi mechanikę kwantową i ogólną teorię względności Einsteina. W szczególności, rozważając czarne dziury w superpozycji kwantowej, fizycy mają nadzieję uzyskać wgląd w kwantową naturę czasoprzestrzeni.
Detektor Unruha-deWitta
W Ostatnia praca, zgłoszone w Physical Review Letters, Jozue Foo i Magdalena Zych z University of Queensland wraz z Cemile Arabaci i Robert Mann z University of Waterloo nakreślają to, co opisują jako nowe ramy operacyjne do badania superpozycji czasoprzestrzennych. Zamiast stosować podejście „z góry na dół” do kwantyzacji ogólnej teorii względności, zamiast tego rozważają wpływ stanu kwantowego czarnej dziury na zachowanie określonego urządzenia fizycznego zwanego detektorem Unruha-deWitta.
Jest to hipotetyczne urządzenie składające się z układu dwustanowego, takiego jak cząstka w pudełku, sprzężonego z polem kwantowym. Kiedy system jest w stanie niskoenergetycznym i wystawiony na promieniowanie elektromagnetyczne o odpowiedniej częstotliwości, przechodzi do stanu wyższego i rejestruje „klik”.
Ten rodzaj detektora może teoretycznie służyć do pomiarów Promieniowanie Unruha, kąpiel cieplna cząstek, która według przewidywań pojawi się z próżni kwantowej dla obserwatora przyspieszającego w przestrzeni. W scenariuszu przedstawionym w nowych badaniach zamiast tego przechwytywałby Promieniowanie Hawkinga. Przewiduje się, że jest to promieniowanie, które powstanie, gdy wirtualne pary cząstka-antycząstka w kwantowej próżni zostaną rozerwane na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury – antycząstka następnie zniknie w pustce, a cząstka zostanie wyemitowana w otaczającą przestrzeń.
W swoim eksperymencie myślowym kwartet przewiduje detektor Unruh-deWitt umieszczony w określonym punkcie poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury, z ustaloną pozycją detektora umożliwioną przez przyspieszenie od czarnej dziury, które wytwarza promieniowanie Hawkinga. Badacze rozważają wpływ superpozycji masy czarnej dziury na sygnał wyjściowy tego detektora.
Superpozycja odległości
Jak wyjaśniają, te dwie masy dają różne rozwiązania równań pola ogólnej teorii względności, a tym samym różne czasoprzestrzenie. Wynikająca z tego superpozycja czasoprzestrzeni pozostawia z kolei detektor w superpozycji odległości od horyzontu zdarzeń, tworząc coś, co w rzeczywistości jest interferometrem, którego ramiona są powiązane z jedną z mas czarnej dziury. Prawdopodobieństwo kliknięcia detektora zależy od tego, jakie masy występują w superpozycji.
Dokonując obliczeń dla stosunkowo prostej czarnej dziury opisanej w dwóch wymiarach przestrzennych formułą Banadosa – Teitelboima – Zanellego, fizycy uzyskali uderzający wynik. Wykreślili prawdopodobieństwo wykrycia cząstki emitowanej przez czarną dziurę jako funkcję pierwiastka kwadratowego z superpozycji stosunków mas i znaleźli ostre szczyty, gdy wartości te były równe 1/nZ n będąc liczbą całkowitą.
Splątane promieniowanie Hawkinga zauważone w analogowej czarnej dziurze
Naukowcy przypisują to zachowanie konstruktywnej interferencji między promieniowaniem w ramionach interferometru, które odpowiada masom czarnych dziur przewidzianym przez amerykańsko-izraelskiego fizyka Jacoba Bekensteina w latach 1970. Pokazał, że pole powierzchni horyzontu zdarzeń czarnej dziury – a zatem jej masa – jest niezmiennikiem adiabatycznym. Jest to właściwość fizyczna, która pozostaje stała, gdy działa się na nią powoli i która powoduje skwantowanie masy.
„Ten wynik zapewnia niezależne wsparcie dla hipotezy Bekensteina” – piszą naukowcy Physical Review Letters, „pokazując, w jaki sposób prawdopodobieństwo wzbudzenia detektora może ujawnić prawdziwie kwantowo-grawitacyjną właściwość kwantowej czarnej dziury”.
Czterej fizycy podkreślają, że wynik wyszedł z ich obliczeń bez założenia, że masa czarnej dziury musi mieścić się w dyskretnych pasmach przewidzianych przez hipotezę Bekensteina. Dodają, że ich technikę można rozszerzyć na bardziej złożone opisy czarnych dziur w trzech wymiarach przestrzennych, co, jak twierdzą, dostarczyłoby dodatkowych informacji na temat wpływu grawitacji kwantowej na nasz Wszechświat.
