Квантовая суперпозиция — это свойство не только субатомных частиц, но и самых массивных объектов во Вселенной. К такому выводу пришли четыре физика-теоретика из Австралии и Канады, которые рассчитали гипотетический отклик детектора частиц, размещенного на некотором расстоянии от черной дыры. Исследователи говорят, что детектор увидит новые признаки наложения пространства-времени, что означает, что черная дыра может иметь две разные массы одновременно.
Черные дыры образуются, когда чрезвычайно массивные объекты, такие как звезды, коллапсируют в сингулярность — точку бесконечной плотности. Гравитационное поле черной дыры настолько велико, что ничто не может вырваться из его лап, даже свет. Это создает сферическую область пространства вокруг сингулярности, полностью отрезанную от остальной Вселенной и ограниченную так называемым горизонтом событий.
Активная область исследований физики черных дыр направлена на разработку последовательной теории квантовой гравитации. Это важная цель теоретической физики, которая должна согласовать квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. В частности, рассматривая черные дыры в квантовой суперпозиции, физики надеются получить представление о квантовой природе пространства-времени.
Детектор Унру – де Витта
В последняя работасообщили в Physical Review Letters,, Джошуа Фу и Магдалена Зыч Университета Квинсленда вместе с Джемиле Арабачи и Роберт Манн в Университете Ватерлоо обрисовали в общих чертах то, что они называют новой операционной структурой для изучения пространственно-временных суперпозиций. Вместо того, чтобы использовать подход «сверху вниз» для квантования общей теории относительности, они вместо этого рассматривают влияние квантового состояния черной дыры на поведение конкретного физического устройства, называемого детектором Унру-ДеВитта.
Это гипотетическое устройство, состоящее из системы с двумя состояниями, такой как частица в ящике, связанная с квантовым полем. Когда система находится в низкоэнергетическом состоянии и подвергается воздействию электромагнитного излучения нужной частоты, она переходит в более высокое состояние и регистрирует «щелчок».
Этот вид детектора теоретически можно использовать для измерения Унру радиация, тепловая баня частиц, которая, согласно предсказаниям, появляется из квантового вакуума для наблюдателя, ускоряющегося в космосе. В сценарии, изложенном в новом исследовании, вместо этого Излучение Хокинга. Это излучение, которое, согласно предсказаниям, будет создаваться, когда виртуальные пары частица-античастица в квантовом вакууме разрываются на части на горизонте событий черной дыры — затем античастица исчезает в пустоте, а частица испускается в окружающее пространство.
В своем мысленном эксперименте квартет рассматривает детектор Унру-деВитта, расположенный в определенной точке за пределами горизонта событий черной дыры, с фиксированным положением детектора, обеспечиваемым ускорением от черной дыры, которое дает излучение Хокинга. Исследователи рассматривают эффект суперпозиции массы черной дыры на выходе этого детектора.
Суперпозиция расстояний
Как они объясняют, две массы дают разные решения уравнений поля общей теории относительности и, следовательно, разные пространства-времени. Результирующая суперпозиция пространства-времени, в свою очередь, оставляет детектор в суперпозиции расстояний от горизонта событий, создавая, по сути, интерферометр, каждое плечо которого связано с одной из масс черной дыры. Вероятность того, что детектор щелкнет, зависит от того, какие массы присутствуют в суперпозиции.
Выполняя расчеты относительно простой черной дыры, описываемой в двух пространственных измерениях формулой Банадоса–Тейтельбойма–Занелли, физики получили поразительный результат. Они построили график зависимости вероятности обнаружения частицы, испускаемой черной дырой, от квадратного корня из отношения масс суперпозиции и обнаружили острые пики, когда эти значения были равны 1/nпризывают n быть целым числом.
Запутанное излучение Хокинга обнаружено в аналоговой черной дыре
Исследователи связывают такое поведение с конструктивной интерференцией между излучением в плечах интерферометра, которое соответствует массам черных дыр, предсказанным американо-израильским физиком Джейкобом Бекенштейном в 1970-х годах. Он показал, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры и, следовательно, ее масса — это адиабатический инвариант. Это физическое свойство, которое остается постоянным при медленном воздействии и приводит к квантованию массы.
«Этот результат обеспечивает независимую поддержку гипотезы Бекенштейна», — пишут исследователи в Physical Review Letters,, «демонстрируя, как вероятность возбуждения детектора может выявить подлинно квантово-гравитационное свойство квантовой черной дыры».
Четыре физика подчеркивают, что результат получен в результате их расчетов без предположения, что масса черной дыры должна находиться в пределах дискретных полос, предсказанных гипотезой Бекенштейна. Они добавляют, что их метод может быть расширен до более сложных описаний черных дыр в трех пространственных измерениях, которые, по их словам, дадут дополнительные сведения об эффектах квантовой гравитации в нашей Вселенной.
