Suprapunerea cuantică nu este doar o proprietate a particulelor subatomice, ci și a celor mai masive obiecte din univers. Aceasta este concluzia a patru fizicieni teoreticieni din Australia și Canada care au calculat răspunsul ipotetic al unui detector de particule plasat la o anumită distanță de o gaură neagră. Cercetătorii spun că detectorul va vedea semne noi ale spațiu-timp suprapus, ceea ce sugerează că gaura neagră poate avea două mase diferite simultan.
Găurile negre se formează atunci când obiecte extrem de masive precum stelele se prăbușesc într-o singularitate - un punct de densitate infinită. Câmpul gravitațional al unei găuri negre este atât de mare încât nimic nu poate scăpa de ghearele ei, nici măcar lumina. Acest lucru creează o regiune sferică a spațiului în jurul singularității complet separată de restul universului și delimitată de ceea ce este cunoscut sub numele de orizont de evenimente.
Un domeniu activ de cercetare în fizica găurilor negre urmărește să dezvolte o teorie consecventă a gravitației cuantice. Acesta este un obiectiv important al fizicii teoretice care ar reconcilia mecanica cuantică cu teoria generală a relativității a lui Einstein. În special, luând în considerare găurile negre în suprapunerea cuantică, fizicienii speră să obțină informații despre natura cuantică a spațiului-timp.
Detector Unruh–deWitt
În ultima munca, raportat în Scrisori de recenzie fizică, Joshua Foo și Magdalena Zych al Universității din Queensland împreună cu Cemile Arabaci și Robert Mann de la Universitatea din Waterloo conturează ceea ce ei descriu ca un nou cadru operațional pentru studierea suprapozițiilor spațiu-timp. În loc să utilizeze o abordare „de sus în jos” pentru a cuantifica relativitatea generală, ei iau în considerare efectele stării cuantice a unei găuri negre asupra comportamentului unui dispozitiv fizic specific numit detector Unruh-deWitt.
Acesta este un dispozitiv ipotetic care cuprinde un sistem cu două stări, cum ar fi o particulă într-o cutie, cuplată la un câmp cuantic. Când se află în starea sa de energie scăzută și este expus la radiații electromagnetice cu frecvența potrivită, sistemul trece la starea sa superioară și înregistrează un „clic”.
Acest tip de detector poate fi folosit, teoretic, pentru a măsura Radiația Unruh, o baie de căldură de particule despre care se prevede că va apărea din vidul cuantic către un observator care accelerează prin spațiu. În scenariul prezentat în noua cercetare, în schimb ar capta Radiații Hawking. Aceasta este radiația care se preconizează a fi creată atunci când perechile virtuale particule-antiparticule din vidul cuantic sunt rupte la orizontul evenimentelor unei găuri negre - antiparticula dispărând apoi în gol și particula emisă în spațiul înconjurător.
În experimentul lor de gândire, cvartetul are în vedere un detector Unruh-deWitt situat într-un anumit punct din afara orizontului de evenimente al unei găuri negre, cu poziția fixă a detectorului activată de o accelerare departe de gaura neagră care produce radiația Hawking. Cercetătorii iau în considerare efectul unei suprapuneri a masei găurii negre asupra ieșirii acelui detector.
Suprapunerea distanțelor
După cum explică ei, cele două mase oferă soluții diferite pentru ecuațiile de câmp ale relativității generale și, prin urmare, spațiu-timp distincti. Suprapunerea rezultată a spațiu-timpilor lasă la rândul său detectorul într-o suprapunere a distanțelor față de orizontul evenimentelor, creând ceea ce este de fapt un interferometru ale cărui brațe sunt fiecare asociate cu una dintre masele găurii negre. Probabilitatea ca detectorul să facă clicuri depinde de ce mase sunt prezente în suprapunere.
Făcând calculele pentru o gaură neagră relativ simplă descrisă în două dimensiuni spațiale de formularea Banados–Teitelboim–Zanelli, fizicienii au obținut un rezultat izbitor. Ei au trasat probabilitatea de a detecta o particulă emisă de gaura neagră în funcție de rădăcina pătrată a rapoartelor de masă de suprapunere și au găsit vârfuri ascuțite când acele valori au fost egale cu 1/n, Cu n fiind un număr întreg.
Radiația Hawking încurcată observată într-o gaură neagră analogică
Cercetătorii atribuie acest comportament interferențelor constructive dintre radiațiile din brațele interferometrului care corespund maselor de găuri negre prezise de fizicianul american-israelian Jacob Bekenstein în anii 1970. El a arătat că suprafața orizontului de evenimente al unei găuri negre – și, prin urmare, masa acesteia – este un invariant adiabatic. Aceasta este o proprietate fizică care rămâne constantă atunci când este acționată lent și care are ca rezultat cuantizarea masei.
„Acest rezultat oferă suport independent pentru conjectura lui Bekenstein”, scriu cercetătorii Scrisori de recenzie fizică, „demonstrând modul în care probabilitatea de excitație a detectorului poate dezvălui o proprietate cuantică-gravitațională a unei găuri negre cuantice”.
Cei patru fizicieni subliniază că rezultatul a rezultat din calculele lor fără a presupune că masa găurii negre trebuie să se încadreze în benzile discrete prezise de conjectura lui Bekenstein. Ei adaugă că tehnica lor ar putea fi extinsă la descrieri mai complexe ale găurilor negre în trei dimensiuni spațiale, despre care spun ei, ar oferi informații suplimentare cu privire la efectele gravitației cuantice în universul nostru.
