Eksperyment myślowy ujawnia, że ​​czarne dziury niszczą pobliskie superpozycje kwantowe

Nowy eksperyment myślowy sugeruje, że sama obecność czarnej dziury może zniszczyć pobliską kwantową superpozycję przestrzenną. Eksperyment opracowany przez fizyków w USA sugeruje, że pole grawitacyjne dalekiego zasięgu cząstki w superpozycji będzie oddziaływać z horyzontem zdarzeń czarnej dziury, powodując dekoherencję superpozycji kwantowej w skończonym czasie.

Spójność to pojęcie w mechanice kwantowej, które pozwala systemowi istnieć w superpozycji kilku różnych stanów kwantowych w tym samym czasie. Dekoherencja to proces niszczenia superpozycji poprzez wykonanie pomiaru, który wprowadza system w określony stan. Pomiar w tym przypadku jest terminem ogólnym i odnosi się do interakcji między układem kwantowym a jego otoczeniem. Pomiarem może być na przykład błądzące pole magnetyczne lub fluktuacja temperatury, a także laboratoryjne określenie właściwości układu (takich jak polaryzacja fotonu).

Superpozycja i inne aspekty mechaniki kwantowej świetnie opisują zachowanie układów mikroskopowych. Jednak fizycy nie byli w stanie włączyć grawitacji do opisu natury w teorii kwantowej. Obecnie grawitację najlepiej opisuje ogólna teoria względności Alberta Einsteina, a połączenie tych dwóch teorii w teorię grawitacji kwantowej jest ważnym celem współczesnej fizyki. Okazało się to jednak bardzo trudne, ponieważ oczekuje się, że efekty grawitacji kwantowej będą istotne tylko w bardzo krótkich skalach odpowiadających ekstremalnie wysokim energiom – które znacznie wykraczają poza możliwości obecnych i przyszłych akceleratorów cząstek.

Myślenie kwantowe

Ponieważ nie można przeprowadzić prawdziwych eksperymentów, fizycy wykorzystują eksperymenty myślowe, aby spróbować opracować spójną teorię grawitacji kwantowej. Ich celem jest zrozumienie zachowania układów kwantowych w ekstremalnych warunkach grawitacyjnych, takich jak te, które istnieją na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury. Jest to granica otaczająca czarną dziurę, poza którą nic – nawet światło – nie może uciec z ogromnego pola grawitacyjnego czarnej dziury. Oznacza to, że informacja może wejść do czarnej dziury, ale nie może jej opuścić.

Ten najnowszy eksperyment myślowy został opracowany przez fizyków z University of Chicago i Princeton University i jest opisany we wstępie na arXiv serwer. Współautor Daine'a Danielsona mówi, że eksperyment dotyczy obserwatora ukrytego za horyzontem zdarzeń czarnej dziury.

Eksperyment myślowy obejmuje masywną cząstkę, taką jak elektron, która jest wystrzeliwana w barierę zawierającą dwie szczeliny. Zgodnie z mechaniką kwantową elektron będzie zachowywał się jak fala dyfrakcyjna na obu szczelinach jednocześnie. Innymi słowy, elektron znajduje się w spójnej przestrzennej superpozycji dwóch stanów, z których każdy przechodzi przez własną szczelinę. Jeśli elektrony uderzą w ekran za szczelinami, oba stany ponownie się połączą i utworzą obraz interferencyjny.

Alicja i Bob

Nowy eksperyment myślowy opisuje eksperyment z podwójną szczeliną, który przeprowadza fizyk o imieniu Alice w pobliżu czarnej dziury. Wewnątrz czarnej dziury znajduje się również obserwator o imieniu Bob.

Gdy Alice przeprowadza eksperyment z podwójną szczeliną, kwantowa teoria grawitacji wymaga, aby masywna cząstka oddziaływała z czarną dziurą za pośrednictwem „miękkich grawitonów”. Grawitony są hipotetycznymi nośnikami pola grawitacyjnego i są analogiczne do fotonów – które są nośnikami pola elektromagnetycznego.

Te miękkie grawitony mogą być absorbowane przez czarną dziurę, gdzie Bob może je zmierzyć – przynajmniej w zasadzie. Dokonując wielu pomiarów miękkich grawitonów w czasie, Bob powinien być w stanie wydedukować stan superpozycji kwantowej w eksperymencie Alicji. Innymi słowy, Bob dokonuje pomiaru w eksperymencie Alice spoza horyzontu zdarzeń czarnej dziury, skąd powoduje dekoherencję przestrzennej superpozycji.

Paradoks przyczynowy

Na tym polega paradoks. Jak Bob może rozszyfrować eksperyment Alicji, jeśli informacja nie może wydostać się poza horyzont zdarzeń? Rzeczywiście, takie postępowanie narusza zasadę przyczynowości. Danielson i współpracownicy argumentują, że ten paradoks można rozwiązać tylko wtedy, gdy sama czarna dziura zdekoheruje eksperyment Alice, zanim zrobi to Bob.

Innymi słowy, mówią, że czarna dziura wpływa na superpozycję kwantową w taki sam sposób, jak klasyczny obserwator. „Mamy tutaj dokładną sytuację, w której geometria samego wszechświata nadaje„ określoność ”superpozycji kwantowej” – mówi Danielson.

Grawitację kwantową można wkrótce przetestować za pomocą ultrazimnych atomów

W swoim artykule naukowcy argumentują, że ich analiza dotyczy również innych typów horyzontów, takich jak horyzont kosmologiczny – który określa rozmiar obserwowalnego Wszechświata. Naukowcy twierdzą, że takie eksperymenty myślowe są przydatne do badania podstawowych zasad, które pewnego dnia może mieć spójna teoria grawitacji kwantowej. „Na przykład każda teoria grawitacji kwantowej musi mieć tę podstawową cechę, że czarne dziury, które działają jak układy kwantowe, działają jak obserwatorzy” – mówi współautor Gautama Satishchandrana.

Vlatko Vedral, fizyk kwantowy z Uniwersytetu Oksfordzkiego, mówi, że ma zastrzeżenia do niektórych zabiegów opisanych w artykule. Mówi, że superpozycja jest traktowana mechanicznie kwantowo, ale autorzy traktują pole grawitacyjne tła – takie jak sama czarna dziura – klasycznie. „Nie jest jasne, czy takie przybliżenie jest ważne w kontekście, który rozważają” – mówi. Jeśli jednak wnioski są prawidłowe, Vedral uważa je za głębokie. Eksperyment myślowy sugeruje, że czarne dziury mogą służyć jako źródło nieodwracalności – zniszczenia stanu kwantowego, którego nigdy nie można w pełni odzyskać. Ponieważ grawitacja ma nieskończenie duży zasięg, nie ma znaczenia, jak daleko eksperyment jest od czarnej dziury, mówi, efekt dekoherencji, który obliczyli autorzy, byłby niezerowy. Dlatego tworzenie i rekombinacja kwantowych superpozycji przestrzennych nigdy nie może być w pełni wydajna, ponieważ „część [systemu] jest zawsze nieodwracalnie tracona poza horyzontem” – mówi.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/black-holes-destroy-nearby-quantum-superpositions-thought-experiment-reveals/