A superposição quântica não é apenas uma propriedade das partículas subatômicas, mas também dos objetos mais massivos do universo. Essa é a conclusão de quatro físicos teóricos da Austrália e do Canadá que calcularam a resposta hipotética de um detector de partículas colocado a alguma distância de um buraco negro. Os pesquisadores dizem que o detector veria novos sinais de espaços-tempos sobrepostos, o que implica que o buraco negro pode ter duas massas diferentes simultaneamente.
Os buracos negros são formados quando objetos extremamente massivos, como estrelas, colapsam em uma singularidade – um ponto de densidade infinita. O campo gravitacional de um buraco negro é tão grande que nada pode escapar de suas garras, nem mesmo a luz. Isso cria uma região esférica do espaço em torno da singularidade totalmente isolada do resto do universo e delimitada pelo que é conhecido como horizonte de eventos.
Uma área ativa de pesquisa na física dos buracos negros busca desenvolver uma teoria consistente da gravidade quântica. Este é um objetivo importante da física teórica que reconciliaria a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade de Einstein. Em particular, ao considerar os buracos negros na superposição quântica, os físicos esperam obter insights sobre a natureza quântica do espaço-tempo.
Detector de Unruh-deWitt
No trabalho mais recente, relatado em Physical Review Letters, Josué Foo e Madalena Zych da Universidade de Queensland juntamente com Cemile Arabaci e Robert Mann na Universidade de Waterloo descrevem o que eles descrevem como uma nova estrutura operacional para estudar as superposições do espaço-tempo. Em vez de usar uma abordagem “de cima para baixo” para quantizar a relatividade geral, eles consideram os efeitos do estado quântico de um buraco negro no comportamento de um dispositivo físico específico chamado detector Unruh-deWitt.
Trata-se de um dispositivo hipotético que compreende um sistema de dois estados, como uma partícula em uma caixa, acoplado a um campo quântico. Quando em seu estado de baixa energia e exposto à radiação eletromagnética na frequência certa, o sistema salta para seu estado mais alto e registra um “clique”.
Este tipo de detector pode, em teoria, ser usado para medir radiação Unruh, um banho de calor de partículas que se prevê que apareça do vácuo quântico para um observador que está acelerando pelo espaço. No cenário apresentado na nova pesquisa, em vez disso, capturaria Radiação Hawking. Prevê-se que esta radiação seja criada quando pares virtuais partícula-antipartícula dentro do vácuo quântico são separados no horizonte de eventos de um buraco negro – a antipartícula então desaparecendo no vazio e a partícula emitida no espaço circundante.
Em seu experimento mental, o quarteto prevê um detector Unruh-deWitt localizado em um ponto específico fora do horizonte de eventos de um buraco negro, com a posição fixa do detector habilitada por uma aceleração para longe do buraco negro que produz a radiação Hawking. Os pesquisadores consideram o efeito de uma superposição da massa do buraco negro na saída desse detector.
Superposição de distâncias
Como eles explicam, as duas massas fornecem soluções diferentes para as equações de campo da relatividade geral e, portanto, espaços-tempos distintos. A superposição resultante de espaços-tempos, por sua vez, deixa o detector em uma superposição de distâncias do horizonte de eventos, criando o que é de fato um interferômetro cujos braços estão associados a uma das massas do buraco negro. A probabilidade de o detector clicar depende de quais massas estão presentes na superposição.
Fazendo os cálculos para um buraco negro relativamente simples descrito em duas dimensões espaciais pela formulação de Banados-Teitelboim-Zanelli, os físicos obtiveram um resultado impressionante. Eles plotaram a probabilidade de detectar uma partícula emitida pelo buraco negro como uma função da raiz quadrada das proporções de massa de superposição e encontraram picos agudos quando esses valores eram iguais a 1/n, com n sendo um inteiro.
Radiação Hawking emaranhada detectada em buraco negro analógico
Os pesquisadores atribuem esse comportamento à interferência construtiva entre a radiação nos braços do interferômetro que correspondem às massas dos buracos negros previstas pelo físico americano-israelense Jacob Bekenstein na década de 1970. Ele mostrou que a área da superfície do horizonte de eventos de um buraco negro – e, portanto, sua massa – é um invariante adiabático. Esta é uma propriedade física que permanece constante quando acionada lentamente e que resulta na quantização da massa.
“Este resultado fornece suporte independente para a conjectura de Bekenstein”, escrevem os pesquisadores em Physical Review Letters, “demonstrando como a probabilidade de excitação do detector pode revelar uma propriedade genuinamente quântica-gravitacional de um buraco negro quântico”.
Os quatro físicos enfatizam que o resultado surgiu de seus cálculos sem assumir que a massa do buraco negro deveria cair dentro das bandas discretas previstas pela conjectura de Bekenstein. Eles acrescentam que sua técnica pode ser estendida a descrições mais complexas de buracos negros em três dimensões espaciais, o que, segundo eles, forneceria informações adicionais sobre os efeitos da gravidade quântica em nosso universo.
