Găurile negre vor distruge în cele din urmă toate statele cuantice, susțin cercetătorii

La Universitatea Princeton, la începutul anilor 1970, celebrul fizician teoretician John Wheeler putea fi văzut în seminarii sau discuții improvizate pe hol, desenând un „U” mare. Vârful stâng al literei reprezenta începutul universului, unde totul era incert și toate posibilitățile cuantice se petreceau în același timp. Vârful drept al literei, uneori împodobit cu un ochi, înfățișa un observator care se uită înapoi în timp, aducând astfel la viață partea stângă a U.

În acest „univers participativ”, așa cum l-a numit Wheeler, cosmosul s-a extins și s-a răcit în jurul U, formând structuri și creând în cele din urmă observatori, precum oamenii și aparatele de măsurare. Privind înapoi la universul timpuriu, acești observatori l-au făcut într-un fel real.

„El spunea lucruri precum „Niciun fenomen nu este un fenomen adevărat până când nu este un fenomen observat”, a spus Robert M. Wald, un fizician teoretician la Universitatea din Chicago, care era doctorand al lui Wheeler la acea vreme.

Acum, studiind modul în care teoria cuantică se comportă la orizontul unei găuri negre, Wald și colaboratorii săi au calculat un nou efect care sugerează universul participativ al lui Wheeler. Simpla prezență a unei găuri negre, au descoperit ei, este suficientă pentru a transforma „superpunerea” neclară a unei particule – starea de a fi în mai multe stări potențiale – într-o realitate bine definită. „Evocă ideea că aceste orizonturi de găuri negre privesc”, a spus coautorul Gautam Satishchandran, un fizician teoretician la Princeton.

„Ceea ce am descoperit ar putea fi o realizare mecanică cuantică a [universului participativ], dar în care spațiu-timp însuși joacă rolul observatorului”, a spus Daine Danielson, al treilea autor, tot la Chicago.

Teoreticienii dezbat acum ce să citească în aceste găuri negre vigilente. „Acest lucru pare să ne spună ceva profund despre modul în care gravitația influențează măsurarea în mecanica cuantică”, a spus Sam Gralla, un astrofizician teoretic la Universitatea din Arizona. Dar dacă acest lucru se va dovedi util pentru cercetătorii care se îndreaptă spre o teorie completă a gravitației cuantice este încă o ghicire de oricine.

Efectul este unul dintre multele descoperite în ultimul deceniu de către fizicienii care studiază ce se întâmplă atunci când teoria cuantică este combinată cu gravitația la energii scăzute. De exemplu, teoreticienii au avut mare succes gândindu-se Radiații Hawking, ceea ce face ca găurile negre să se evapore încet. „Efectele subtile pe care nu le-am observat cu adevărat înainte ne oferă constrângeri din care putem aduna indicii despre cum să mergem spre gravitația cuantică”, a spus Alex Lupsasca, un fizician teoretician la Universitatea Vanderbilt care nu a fost implicat în noua cercetare.

Aceste găuri negre observatoare par să producă un efect care este „foarte captivant”, a spus Lupsasca, „pentru că se simte cumva ca și cum ar fi adânc”.

Găuri negre și suprapoziții

Pentru a înțelege cum ar putea o gaură neagră să observe universul, începeți cu puțin. Luați în considerare experimentul clasic cu dublă fantă, în care particulele cuantice sunt lansate către două fante dintr-o barieră. Cele care trec sunt apoi detectate de un ecran de pe cealaltă parte.

La început, fiecare particulă care călătorește pare să apară la întâmplare pe ecran. Dar pe măsură ce mai multe particule trec prin fante, apare un model de dungi deschise și întunecate. Acest model sugerează că fiecare particulă se comportă ca undele care trec prin ambele fante simultan. Benzile rezultă din vârfurile și depresiunile undelor fie se adună, fie se anulează una pe cealaltă - un fenomen numit interferență.

Acum adăugați un detector pentru a măsura prin care dintre cele două fante trece particula. Modelul dungilor deschise și întunecate va dispărea. Actul de observare schimbă starea particulei - natura sa ondulată dispare complet. Fizicienii spun că informațiile obținute de aparatul de detectare „decoerează” posibilitățile cuantice într-o realitate definită.

Important este că detectorul dumneavoastră nu trebuie să fie aproape de fante pentru a-și da seama ce cale a luat-o particula. O particulă încărcată, de exemplu, emite un câmp electric cu rază lungă de acțiune care ar putea avea puteri ușor diferite, în funcție de faptul că a trecut prin fanta din dreapta sau din stânga. Măsurarea acestui câmp de la distanță vă va permite în continuare să culegeți informații despre calea pe care a urmat-o particula și, astfel, va provoca decoerență.

În 2021, Wald, Satishchandran și Danielson explorau un paradox produs atunci când observatorii ipotetici adună informații în acest fel. Ei și-au imaginat un experimentator numit Alice care creează o particulă într-o suprapunere. Mai târziu, ea caută un model de interferență. Particula va prezenta interferențe doar dacă nu s-a încurcat prea mult cu niciun sistem exterior în timp ce Alice o observă.

Apoi vine Bob, care încearcă să măsoare poziția particulei de la distanță, măsurând câmpurile la distanță lungă ale particulei. Conform regulilor de cauzalitate, Bob nu ar trebui să poată influența rezultatul experimentului lui Alice, deoarece experimentul ar trebui să se încheie până când semnalele de la Bob ajung la Alice. Cu toate acestea, după regulile mecanicii cuantice, dacă Bob măsoară cu succes particula, aceasta se va încurca cu el și Alice nu va vedea un model de interferență.

Trio-ul a calculat riguros că cantitatea de decoerență datorată acțiunilor lui Bob este întotdeauna mai mică decât decoerența pe care Alice ar provoca-o în mod natural prin radiația pe care o emite (care se încurcă și cu particula). Așa că Bob nu a putut niciodată să decoereze experimentul lui Alice pentru că ea l-ar fi decoerat deja ea însăși. Deși o versiune anterioară a acestui paradox a fost rezolvat in 2018 cu un calcul din spatele plicului de către Wald și o echipă diferită de cercetători, Danielson a făcut un pas mai departe.

El le-a propus colaboratorilor săi un experiment de gândire: „De ce nu pot pune detectorul [al lui Bob] în spatele unei găuri negre?” Într-o astfel de configurație, o particulă aflată într-o suprapunere în afara orizontului de evenimente va emana câmpuri care traversează orizontul și vor fi detectate de Bob de cealaltă parte, în interiorul găurii negre. Detectorul obține informații despre particule, dar, deoarece orizontul evenimentului este un „bilet unic”, nicio informație nu poate trece înapoi, a spus Danielson. „Bob nu poate influența Alice din interiorul găurii negre, așa că aceeași decoerență trebuie să apară fără Bob”, a scris echipa într-un e-mail către Cuante. Gaura neagră în sine trebuie să decoereze suprapunerea.

„În limbajul mai poetic al universului participativ, este ca și cum orizontul urmărește suprapuneri”, a spus Danielson.

Folosind această perspectivă, au început să lucreze la un calcul exact al modului în care suprapozițiile cuantice sunt afectate de spațiu-timp al găurii negre. În o hartie publicate pe serverul de preprint arxiv.org în ianuarie, au ajuns la o formulă simplă care descrie viteza cu care radiația traversează orizontul evenimentelor și astfel provoacă decoerența. „Pentru mine, a fost foarte surprinzător faptul că a existat un efect”, a spus Wald.

Părul la orizont

Ideea că orizonturile evenimentelor adună informații și provoacă decoerență nu este nouă. În 2016, Stephen Hawking, Malcolm Perry și Andrew Strominger descris modul în care particulele care traversează orizontul evenimentelor ar putea fi însoțite de radiații cu energie foarte scăzută care înregistrează informații despre aceste particule. Această perspectivă a fost sugerată ca o soluție la paradoxul informațiilor despre găurile negre, o consecință profundă a descoperirii anterioare a lui Hawking că găurile negre emit radiații.

Problema a fost că radiația Hawking drenează energia din găurile negre, făcându-le să se evapore complet în timp. Acest proces pare să distrugă orice informație care a căzut în gaura neagră. Dar, făcând acest lucru, ar contrazice o trăsătură fundamentală a mecanicii cuantice: că informația din univers nu poate fi creată sau distrusă.

Radiația cu energie scăzută propusă de trio ar ocoli acest lucru, permițând ca unele informații să fie distribuite într-un halou în jurul găurii negre și să scape. Cercetătorii au numit aureola bogată în informații „păr moale”.

Wald, Satishchandran și Danielson nu investigau paradoxul informațiilor despre găurile negre. Dar munca lor folosește părul moale. Mai exact, ei au arătat că părul moale este creat nu numai atunci când particulele cad peste un orizont, ci și atunci când particulele din afara unei găuri negre se mută doar într-o locație diferită. Orice suprapunere cuantică din afară se va încurca cu părul moale la orizont, dând naștere efectului de decoerență pe care l-au identificat. În acest fel, suprapunerea este înregistrată ca un fel de „amintire” la orizont.

Calculul este o „realizare concretă a părului moale”, a spus Daniel Carney, un fizician teoretician la Lawrence Berkeley National Laboratory. „Este o hârtie grozavă. Ar putea fi o construcție foarte utilă pentru a încerca ca ideea să funcționeze în detaliu.”

Dar pentru Carney și pentru câțiva alți teoreticieni care lucrează în fruntea cercetării gravitației cuantice, acest efect de decoerență nu este chiar atât de surprinzător. Natura cu rază lungă de acțiune a forței electromagnetice și a gravitației înseamnă că „este greu să păstrezi ceva izolat de restul universului”, a spus. Daniel Harlow, un fizician teoretician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts.

Decoerență totală

Autorii argumenta că există ceva unic „insidios” în acest tip de decoerență. De obicei, fizicienii pot controla decoerența prin protejarea experimentului lor de mediul exterior. Un vid, de exemplu, elimină influența moleculelor de gaz din apropiere. Dar nimic nu poate proteja gravitația, așa că nu există nicio modalitate de a izola un experiment de influența pe rază lungă a gravitației. „În cele din urmă, fiecare suprapunere va fi complet decoerată”, a spus Satishchandran. „Nu există nicio modalitate de a ocoli.”

Prin urmare, autorii consideră orizonturile găurilor negre ca având un rol mai activ în decoerență decât se știa anterior. „Geometria universului în sine, spre deosebire de materia din el, este responsabilă pentru decoerență”, au scris ei într-un e-mail către Cuante.

Carney contestă această interpretare, spunând că noul efect de decoerență poate fi înțeles și ca o consecință a câmpurilor electromagnetice sau gravitaționale, în combinație cu regulile stabilite de cauzalitate. Și, spre deosebire de radiația Hawking, unde orizontul găurii negre se schimbă în timp, în acest caz, orizontul „nu are nicio dinamică”, a spus Carney. „Orizontul nu face nimic, în sine; Nu aș folosi acest limbaj.”

Pentru a nu încălca cauzalitatea, suprapunerile din afara găurii negre trebuie să fie decoerate la rata maximă posibilă pe care un observator ipotetic din interiorul găurii negre ar putea colecta informații despre ele. „Se pare că arată un principiu nou despre gravitație, măsurare și mecanica cuantică”, a spus Gralla. „Nu vă așteptați ca asta să se întâmple la mai mult de 100 de ani după ce gravitația și mecanica cuantică au fost formulate.”

În mod intrigant, acest tip de decoerență va avea loc oriunde există un orizont care permite informației să călătorească doar într-o singură direcție, creând potențialul paradoxurilor cauzalității. Marginea universului cunoscut, numită orizont cosmologic, este un alt exemplu. Sau luați în considerare „orizontul Rindler”, care se formează în spatele unui observator care accelerează și se apropie continuu de viteza luminii, astfel încât razele de lumină nu le mai pot ajunge din urmă. Toate aceste „orizonturi ucidere” (numite după matematicianul german de la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea) Wilhelm Killing) determină decoerarea suprapozițiilor cuantice. „Aceste orizonturi te privesc într-adevăr în același mod”, a spus Satishchandran.

Ce înseamnă exact ca marginea universului cunoscut să urmărească totul în interiorul universului nu este complet clar. „Nu înțelegem orizontul cosmologic”, a spus Lupsasca. „Este super fascinant, dar mult mai greu decât găurile negre.”

În orice caz, prezentând experimente de gândire ca acesta, în care gravitația și teoria cuantică se ciocnesc, fizicienii speră să învețe despre comportamentul unei teorii unificate. „Acest lucru probabil ne oferă mai multe indicii despre gravitația cuantică”, a spus Wald. De exemplu, noul efect îi poate ajuta pe teoreticieni să înțeleagă modul în care încurcarea este legată de spațiu-timp.

„Aceste efecte trebuie să facă parte din povestea finală a gravitației cuantice”, a spus Lupsasca. „Acum, vor fi ele un indiciu crucial pe drumul spre a culege o perspectivă asupra acestei teorii? Merită investigat.”

Universul participativ

Pe măsură ce oamenii de știință continuă să învețe despre decoerență în toate formele sale, conceptul lui Wheeler despre universul participativ devine din ce în ce mai clar, a spus Danielson. Toate particulele din univers, se pare, sunt într-o suprapunere subtilă până când sunt observate. Certitudinea apare prin interacțiuni. „Cred că asta a avut în minte Wheeler”, a spus Danielson.

Iar constatarea că găurile negre și alte orizonturi Killing observă totul, tot timpul, „fie că vă place sau nu”, este „mai evocatoare” pentru universul participativ decât sunt celelalte tipuri de decoerență, au spus autorii.

Nu toată lumea este pregătită să cumpere filozofia lui Wheeler la scară largă. „Ideea că universul se autoobservă? Asta sună puțin Jedi pentru mine”, a spus Lupsasca, care este totuși de acord că „totul se observă tot timpul prin interacțiuni”.

„Poetic, te-ai putea gândi la asta”, a spus Carney. „Personal, aș spune doar că prezența orizontului înseamnă că câmpurile care trăiesc în jurul lui vor rămâne blocate la orizont într-un mod cu adevărat interesant.”

Când Wheeler a desenat pentru prima dată „U mare” când Wald era student în anii 1970, Wald nu s-a gândit prea mult la asta. „Ideea lui Wheeler mi-a părut că nu era atât de solid”, a spus el.

Si acum? „Multe dintre lucrurile pe care le-a făcut au fost entuziasm și câteva idei vagi, care mai târziu s-au dovedit a fi într-adevăr la vedere”, a spus Wald, observând că Wheeler a anticipat radiația Hawking cu mult înainte ca efectul să fie calculat.

„El se vedea că ținea o lampă pentru a lumina posibilele căi pe care să le urmeze alți oameni.”