Črne luknje bodo sčasoma uničile vsa kvantna stanja, trdijo raziskovalci

Na univerzi Princeton v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo slavnega teoretičnega fizika Johna Wheelerja mogoče opaziti na seminarjih ali improviziranih razpravah na hodniku, kako je risal veliko črko »U«. Leva konica črke je predstavljala začetek vesolja, kjer je bilo vse negotovo in so se vse kvantne možnosti dogajale hkrati. Desna konica črke, včasih okrašena z očesom, je upodabljala opazovalca, ki gleda nazaj v preteklost, s čimer je nastala leva stran črke U.

V tem »participativnem vesolju«, kot ga je imenoval Wheeler, se je kozmos širil in ohlajal okoli U, oblikoval strukture in na koncu ustvaril opazovalce, kot so ljudje in merilne naprave. S pogledom nazaj v zgodnje vesolje so ga ti opazovalci nekako uresničili.

"Rekel je stvari, kot so 'Noben pojav ni pravi pojav, dokler ni opazovan pojav,'" je dejal Robert M. Wald, teoretični fizik na Univerzi v Chicagu, ki je bil takrat Wheelerjev doktorski študent.

S preučevanjem, kako se kvantna teorija obnaša na obzorju črne luknje, so Wald in njegovi sodelavci izračunali nov učinek, ki kaže na Wheelerjevo participativno vesolje. Ugotovili so, da je zgolj prisotnost črne luknje dovolj, da megleno »superpozicijo« delca – stanje, ko je v več potencialnih stanjih – spremeni v natančno definirano resničnost. "Vzbuja idejo, da ta obzorja črne luknje opazujejo," je dejal soavtor Gautam Satishchandran, teoretični fizik na Princetonu.

"Kar smo ugotovili, je lahko kvantno mehanska realizacija [sodelujočega vesolja], kjer pa prostor-čas sam igra vlogo opazovalca," je dejal. Daine Danielson, tretji avtor, prav tako v Chicagu.

Teoretiki zdaj razpravljajo o tem, kaj brati v te opazne črne luknje. "Zdi se, da nam to pove nekaj globokega o tem, kako gravitacija vpliva na meritve v kvantni mehaniki," je dejal Sam Gralla, teoretični astrofizik na Univerzi v Arizoni. Toda ali se bo to izkazalo za koristno za raziskovalce, ki se premikajo proti popolni teoriji kvantne gravitacije, še vedno lahko ugibamo.

Učinek je eden od mnogih, ki so jih v zadnjem desetletju odkrili fiziki, ki preučujejo, kaj se zgodi, ko se kvantna teorija združi z gravitacijo pri nizkih energijah. Na primer, teoretiki so zelo uspešno razmišljali o Hawkingovo sevanje, zaradi česar črne luknje počasi izhlapevajo. "Subtilni učinki, ki jih prej nismo zares opazili, nam dajejo omejitve, iz katerih lahko zberemo namige o tem, kako se dvigniti proti kvantni gravitaciji," je dejal Alex Lupsasca, teoretični fizik na univerzi Vanderbilt, ki ni bil vključen v novo raziskavo.

Zdi se, da te opazne črne luknje ustvarjajo učinek, ki je "zelo prijeten," je dejal Lupsasca, "ker se zdi, da je nekako globoko."

Črne luknje in superpozicije

Da bi razumeli, kako lahko črna luknja opazuje vesolje, začnite z majhnim. Razmislite o klasičnem eksperimentu z dvojno režo, v katerem se kvantni delci izstrelijo proti dvema režama v pregradi. Tiste, ki gredo skozi, nato zazna zaslon na drugi strani.

Sprva se zdi, da se vsak potujoči delec pojavi naključno na zaslonu. Ko pa skozi reže preide več delcev, se pojavi vzorec svetlih in temnih prog. Ta vzorec nakazuje, da se vsak delec obnaša kot valovi, ki gredo skozi obe reži hkrati. Pasovi nastanejo zaradi vrhov in padcev valov, ki se medsebojno seštevajo ali izničujejo – pojav, imenovan interferenca.

Zdaj dodajte detektor za merjenje, skozi katero od dveh rež gre delec. Vzorec svetlih in temnih črt bo izginil. Dejanje opazovanja spremeni stanje delca - njegova valovita narava popolnoma izgine. Fiziki pravijo, da informacije, pridobljene z detekcijskim aparatom, "dekoherirajo" kvantne možnosti v določeno resničnost.

Pomembno je, da vašemu detektorju ni treba biti blizu rež, da bi ugotovili, katero pot je ubral delec. Nabit delec na primer oddaja električno polje dolgega dosega, ki ima lahko nekoliko drugačno moč, odvisno od tega, ali je šel skozi desno ali levo režo. Merjenje tega polja od daleč vam bo še vedno omogočilo zbiranje informacij o tem, katero pot je ubral delec, in bo tako povzročilo dekoherenco.

Leta 2021 Wald, Satishchandran in Danielson so raziskovali paradoks, ki nastane, ko hipotetični opazovalci zbirajo informacije na ta način. Predstavljali so si eksperimentatorko z imenom Alice, ki ustvari delec v superpoziciji. Pozneje išče interferenčni vzorec. Delec bo pokazal motnje le, če se ni preveč zapletel v kateri koli zunanji sistem, medtem ko ga Alice opazuje.

Nato pride Bob, ki poskuša od daleč izmeriti položaj delca z merjenjem polj velikega dosega delca. V skladu s pravili vzročnosti Bob ne bi smel vplivati ​​na izid Alicinega poskusa, saj bi moral biti poskus končan do trenutka, ko Bobovi signali pridejo do Alice. Vendar pa se bo po pravilih kvantne mehanike, če bo Bob uspešno izmeril delec, ta zapletel z njim in Alice ne bo videla interferenčnega vzorca.

Trio je natančno izračunal, da je količina dekoherence zaradi Bobovih dejanj vedno manjša od dekoherence, ki bi jo Alice naravno povzročila zaradi sevanja, ki ga oddaja (ki se prav tako zaplete z delcem). Torej Bob nikoli ne bi mogel dekoherirati Alicinega eksperimenta, ker bi ga sama že dekoherirala. Čeprav je bila prejšnja različica tega paradoksa rešeno leta 2018 z izračunom na zadnji strani ovojnice, ki so ga opravili Wald in druga skupina raziskovalcev, je Danielson naredil še korak dlje.

Svojim sodelavcem je zastavil miselni eksperiment: "Zakaj ne morem [Bobovega] detektorja postaviti za črno luknjo?" V takšni postavitvi bo delec v superpoziciji zunaj obzorja dogodkov oddajal polja, ki prečkajo obzorje in jih Bob zazna na drugi strani, znotraj črne luknje. Detektor pridobi informacije o delcu, a ker je obzorje dogodkov "enosmerna vozovnica", nobena informacija ne more prestopiti nazaj, je dejal Danielson. "Bob ne more vplivati ​​na Alice iz notranjosti črne luknje, zato se mora enaka dekoherenca zgoditi brez Boba," je ekipa zapisala v elektronskem sporočilu Quanta. Črna luknja sama mora dekoherirati superpozicijo.

"V bolj poetičnem jeziku participativnega vesolja je, kot da obzorje opazuje superpozicije," je dejal Danielson.

S tem vpogledom so se lotili natančnega izračuna, kako na kvantne superpozicije vpliva prostor-čas črne luknje. notri papir objavljen na strežniku za prednatis arxiv.org januarja, so pristali na preprosti formuli, ki opisuje hitrost, s katero sevanje prečka obzorje dogodkov in tako povzroči dekoherenco. "Da je sploh prišlo do učinka, je bilo zame zelo presenetljivo," je dejal Wald.

Lasje na obzorju

Ideja, da obzorja dogodkov zbirajo informacije in povzročajo dekoherenco, ni nova. Leta 2016 Stephen Hawking, Malcolm Perry in Andrew Strominger opisano kako lahko delce, ki prečkajo obzorje dogodkov, spremlja zelo nizkoenergijsko sevanje, ki beleži informacije o teh delcih. Ta vpogled je bil predlagan kot rešitev informacijskega paradoksa črne luknje, globoke posledice prejšnjega Hawkingovega odkritja, da črne luknje oddajajo sevanje.

Težava je bila v tem, da Hawkingovo sevanje črpa energijo iz črnih lukenj, zaradi česar sčasoma popolnoma izhlapijo. Zdi se, da ta postopek uniči vse informacije, ki so padle v črno luknjo. Toda s tem bi bilo v nasprotju s temeljno značilnostjo kvantne mehanike: da informacij v vesolju ni mogoče ustvariti ali uničiti.

Nizkoenergijsko sevanje, ki ga predlaga trio, bi se temu izognilo tako, da bi omogočilo, da se nekatere informacije porazdelijo v halo okoli črne luknje in pobegnejo. Raziskovalci so ta halo, bogat z informacijami, poimenovali "mehki lasje".

Wald, Satishchandran in Danielson niso raziskovali informacijskega paradoksa črne luknje. Toda njihovo delo uporablja mehke lase. Natančneje, pokazali so, da se mehki lasje ustvarijo ne le, ko delci padejo čez obzorje, ampak ko se delci zunaj črne luknje le premaknejo na drugo lokacijo. Vsaka kvantna superpozicija zunaj se bo zapletla z mehkimi lasmi na obzorju, kar bo povzročilo dekoherenčni učinek, ki so ga identificirali. Na ta način se superpozicija zabeleži kot nekakšen »spomin« na obzorju.

Izračun je "konkretna realizacija mehkih las", je dejal Daniel Carney, teoretični fizik v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley. »To je kul papir. Lahko bi bila zelo uporabna konstrukcija za poskus, da bi ta ideja delovala do podrobnosti.

Toda za Carneyja in več drugih teoretikov, ki delajo na čelu raziskav kvantne gravitacije, ta učinek dekoherence ni tako presenetljiv. Dolgotrajna narava elektromagnetne sile in gravitacije pomeni, da je "težko obdržati karkoli izoliranega od preostalega vesolja," je dejal Daniel Harlow, teoretični fizik na tehnološkem inštitutu Massachusetts.

Popolna dekoherenca

Avtorji trdijo da je nekaj edinstveno »zahrbtnega« v tej vrsti dekoherence. Običajno lahko fiziki nadzorujejo dekoherenco tako, da svoj eksperiment zaščitijo pred zunanjim okoljem. Vakuum na primer odstrani vpliv bližnjih molekul plina. Toda nič ne more zaščititi gravitacije, zato ni nobenega načina, da bi poskus izolirali od gravitacijskega vpliva na velike razdalje. "Sčasoma bo vsaka superpozicija popolnoma dekoherirana," je dejal Satishchandran. "Ni možnosti, da bi ga obšli."

Avtorji zato menijo, da obzorja črnih lukenj prevzamejo bolj aktivno vlogo pri dekoherenci, kot je bilo prej znano. "Za dekoherenco je odgovorna sama geometrija vesolja, v nasprotju s snovjo v njem," so zapisali v elektronskem sporočilu Quanta.

Carney oporeka tej interpretaciji in pravi, da je nov učinek dekoherence mogoče razumeti tudi kot posledico elektromagnetnih ali gravitacijskih polj, v kombinaciji s pravili, ki jih določa vzročnost. In za razliko od Hawkingovega sevanja, kjer se horizont črne luknje skozi čas spreminja, v tem primeru horizont "nima nobene dinamike," je dejal Carney. »Horizont sam po sebi ne naredi ničesar; Tega jezika ne bi uporabljal.”

Da ne bi kršili vzročnosti, je treba superpozicije zunaj črne luknje dekoherirati z največjo možno hitrostjo, da bi lahko hipotetični opazovalec znotraj črne luknje zbiral informacije o njih. "Zdi se, da kaže na neka nova načela o gravitaciji, merjenju in kvantni mehaniki," je dejal Gralla. "Ne pričakujete, da se bo to zgodilo več kot 100 let po oblikovanju gravitacije in kvantne mehanike."

Zanimivo je, da se bo ta vrsta dekoherence zgodila povsod, kjer obstaja obzorje, ki omogoča, da informacije potujejo samo v eno smer, kar ustvarja potencial za paradokse vzročnosti. Rob znanega vesolja, imenovan kozmološki horizont, je še en primer. Ali razmislite o "Rindlerjevem horizontu", ki se oblikuje za opazovalcem, ki nenehno pospešuje in se približuje svetlobni hitrosti, tako da jih svetlobni žarki ne morejo več dohiteti. Vsi ti »ubijalski horizonti« (poimenovani po nemškem matematiku s konca 19. in zgodnjega 20. stoletja Wilhelm Killing) povzročijo dekoheracijo kvantnih superpozicij. "Ta obzorja vas resnično opazujejo na povsem enak način," je dejal Satishchandran.

Natančno, kaj za rob znanega vesolja pomeni opazovanje vsega v vesolju, ni povsem jasno. "Ne razumemo kozmološkega obzorja," je dejal Lupsasca. "To je zelo fascinantno, vendar veliko težje od črnih lukenj."

V vsakem primeru fiziki s takšnimi miselnimi eksperimenti, kjer trčita gravitacija in kvantna teorija, upajo, da bodo spoznali vedenje enotne teorije. "To nam verjetno daje nekaj več namigov o kvantni gravitaciji," je dejal Wald. Na primer, novi učinek lahko pomaga teoretikom razumeti, kako je prepletenost povezana s prostorom-časom.

"Ti učinki morajo biti del končne zgodbe o kvantni gravitaciji," je dejal Lupsasca. »Ali bodo odločilni namig na poti do vpogleda v to teorijo? Vredno je raziskati.«

Sodelujoče vesolje

Medtem ko se znanstveniki še naprej učijo o dekoherenci v vseh njenih oblikah, Wheelerjev koncept participativnega vesolja postaja jasnejši, je dejal Danielson. Zdi se, da so vsi delci v vesolju v subtilni superpoziciji, dokler jih ne opazimo. Določenost se pojavi skozi interakcije. "Mislim, da je to imel Wheeler v mislih," je dejal Danielson.

In ugotovitev, da črne luknje in drugi morilski horizonti opazujejo vse, ves čas, "če vam je všeč ali ne," je "bolj evokativen" za participativno vesolje kot druge vrste dekoherence, so povedali avtorji.

Niso vsi pripravljeni kupiti Wheelerjevo filozofijo v velikem obsegu. »Zamisel, da vesolje opazuje samo sebe? To se mi zdi malo jedijsko,« je dejal Lupsasca, ki se kljub temu strinja, da »vse skozi interakcije ves čas opazuje samo sebe«.

"Poetično bi si lahko tako zamislili," je dejal Carney. "Osebno bi samo rekel, da prisotnost horizonta pomeni, da se bodo polja, ki živijo okoli njega, zataknila na obzorju na res zanimiv način."

Ko je Wheeler prvič narisal »veliki U«, ko je bil Wald študent v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, Wald o tem ni veliko razmišljal. "Wheelerjeva ideja se mi je zdela ne preveč utemeljena," je dejal.

In zdaj? "Veliko stvari, ki jih je naredil, je bilo navdušenje in nekaj nejasnih zamisli, ki so se kasneje izkazale za res na mestu," je dejal Wald in opozoril, da je Wheeler predvidel Hawkingovo sevanje veliko preden je bil učinek izračunan.

"Videl je, da drži svetlobo svetilke, da bi osvetlil možne poti, ki bi jim lahko sledili drugi ljudje."