Kvantna superpozicija ni samo lastnost subatomskih delcev, ampak tudi najmasivnejših objektov v vesolju. To je zaključek štirih teoretičnih fizikov v Avstraliji in Kanadi, ki so izračunali hipotetični odziv detektorja delcev, postavljenega nekoliko oddaljeno od črne luknje. Raziskovalci pravijo, da bi detektor videl nove znake prekrivanja prostora-časa, kar pomeni, da ima črna luknja lahko dve različni masi hkrati.
Črne luknje nastanejo, ko se izjemno masivni objekti, kot so zvezde, sesedejo v singularnost – točko neskončne gostote. Gravitacijsko polje črne luknje je tako veliko, da njenim krempljem ne more uiti nič, niti svetloba. To ustvari sferično območje prostora okoli singularnosti, ki je v celoti odrezano od preostalega vesolja in omejeno s tem, kar je znano kot obzorje dogodkov.
Aktivno področje raziskovanja fizike črnih lukenj si prizadeva razviti dosledno teorijo kvantne gravitacije. To je pomemben cilj teoretične fizike, ki bi uskladil kvantno mehaniko in Einsteinovo splošno teorijo relativnosti. Zlasti z upoštevanjem črnih lukenj v kvantni superpoziciji fiziki upajo, da bodo pridobili vpogled v kvantno naravo prostora-časa.
Unruh-deWittov detektor
v najnovejše delo, poročali v Pisni pregledi fizike, Joshua Foo in Magdalena Žič Univerze v Queenslandu skupaj z Cemile Arabaci in Robert Mann na Univerzi Waterloo opisujejo, kar opisujejo kot nov operativni okvir za preučevanje prostorsko-časovnih superpozicij. Namesto da bi uporabili pristop "od zgoraj navzdol" za kvantizacijo splošne teorije relativnosti, namesto tega upoštevajo učinke kvantnega stanja črne luknje na obnašanje specifične fizične naprave, imenovane Unruh-deWitt detektor.
To je hipotetična naprava, ki obsega sistem dveh stanj, kot je delec v škatli, povezan s kvantnim poljem. Ko je v nizkoenergijskem stanju in je izpostavljen elektromagnetnemu sevanju ravno prave frekvence, sistem preskoči v svoje višje stanje in zabeleži "klik".
Ta vrsta detektorja se lahko teoretično uporablja za merjenje Unruh sevanje, toplotna kopel delcev, za katero se predvideva, da se bo pojavila iz kvantnega vakuuma opazovalcu, ki pospešuje skozi vesolje. Po scenariju, predstavljenem v novi raziskavi, bi namesto tega zajemal Hawkingovo sevanje. To je sevanje, ki naj bi nastalo, ko se navidezni pari delec–antidelec znotraj kvantnega vakuuma raztrgajo na obzorju dogodkov črne luknje – antidelec nato izgine v praznino, delec pa se odda v okoliški prostor.
V svojem miselnem eksperimentu je četverica predvidela detektor Unruh–deWitt, ki se nahaja na določeni točki zunaj obzorja dogodkov črne luknje, s fiksnim položajem detektorja, ki ga omogoča pospešek stran od črne luknje, ki oddaja Hawkingovo sevanje. Raziskovalci upoštevajo učinek superpozicije mase črne luknje na izhod tega detektorja.
Superpozicija razdalj
Kot pojasnjujejo, obe masi prinašata različne rešitve poljskih enačb splošne relativnosti in s tem različne prostor-čase. Posledična superpozicija prostora–časa pusti detektor v superpoziciji razdalj od obzorja dogodkov, kar ustvari interferometer, katerega kraka sta povezana z eno od mas črne luknje. Verjetnost, da detektor klikne, je odvisna od tega, katere mase so prisotne v superpoziciji.
Z izračuni za relativno preprosto črno luknjo, opisano v dveh prostorskih dimenzijah s formulacijo Banados–Teitelboim–Zanelli, so fiziki dobili osupljiv rezultat. Narisali so verjetnost zaznavanja delca, ki ga oddaja črna luknja, kot funkcijo kvadratnega korena masnih razmerij superpozicije in našli ostre vrhove, ko so bile te vrednosti enake 1/ns n biti celo število.
Zapleteno Hawkingovo sevanje, opaženo v analogni črni luknji
Raziskovalci to vedenje pripisujejo konstruktivni interferenci med sevanjem v krakih interferometra, ki ustreza masi črne luknje, ki jo je napovedal ameriško-izraelski fizik Jacob Bekenstein v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Pokazal je, da je površina obzorja dogodkov črne luknje – in s tem njena masa – adiabatna invarianta. To je fizikalna lastnost, ki ostane nespremenjena, če nanjo delujemo počasi in zaradi katere je masa kvantizirana.
"Ta rezultat zagotavlja neodvisno podporo Bekensteinovi domnevi," pišejo raziskovalci Pisni pregledi fizike, "prikazovanje, kako lahko verjetnost vzbujanja detektorja razkrije resnično kvantno-gravitacijsko lastnost kvantne črne luknje".
Štirje fiziki poudarjajo, da je rezultat izhajal iz njihovih izračunov brez predpostavke, da mora biti masa črne luknje znotraj diskretnih pasov, ki jih napoveduje Bekensteinova domneva. Dodajajo, da bi njihovo tehniko lahko razširili na kompleksnejše opise črnih lukenj v treh prostorskih dimenzijah, kar bi po njihovem mnenju zagotovilo dodatne vpoglede v učinke kvantne gravitacije v našem vesolju.
