Kvantöverlagring är inte bara en egenskap hos subatomära partiklar utan också hos de mest massiva föremålen i universum. Det är slutsatsen av fyra teoretiska fysiker i Australien och Kanada som beräknat det hypotetiska svaret från en partikeldetektor placerad en bit från ett svart hål. Forskarna säger att detektorn skulle se nya tecken på överlagrade rumtider, vilket antyder att det svarta hålet kan ha två olika massor samtidigt.
Svarta hål bildas när extremt massiva föremål som stjärnor kollapsar till en singularitet - en punkt med oändlig täthet. Gravitationsfältet i ett svart hål är så stort att ingenting kan undgå dess klor, inte ens ljus. Detta skapar ett sfäriskt område av rymden runt singulariteten helt avskuren från resten av universum och avgränsad av vad som kallas en händelsehorisont.
Ett aktivt forskningsområde om svarta håls fysik försöker utveckla en konsekvent teori om kvantgravitation. Detta är ett viktigt mål för teoretisk fysik som skulle förena kvantmekaniken och Einsteins allmänna relativitetsteori. I synnerhet, genom att överväga svarta hål i kvantöverlagring, hoppas fysiker att få insikter om rum-tidens kvantnatur.
Unruh–deWitt-detektor
I senaste arbete, rapporterad i Fysiska granskningsbrev, Joshua Foo och Magdalena Zych vid University of Queensland tillsammans med Cemile Arabaci och Robert Mann vid University of Waterloo beskriver vad de beskriver som ett nytt operativt ramverk för att studera rum-tid superpositioner. Istället för att använda ett "top-down" tillvägagångssätt för att kvantisera allmän relativitet, överväger de istället effekterna av ett svart håls kvanttillstånd på beteendet hos en specifik fysisk enhet som kallas en Unruh–deWitt-detektor.
Detta är en hypotetisk enhet som innefattar ett tvåtillståndssystem, såsom en partikel i en låda, kopplad till ett kvantfält. När det är i lågenergitillstånd och utsätts för elektromagnetisk strålning med precis rätt frekvens, hoppar systemet till sitt högre tillstånd och registrerar ett "klick".
Denna typ av detektor kan i teorin användas för att mäta Unruh strålning, ett värmebad av partiklar som förutspås dyka upp från kvantvakuumet till en observatör som accelererar genom rymden. I scenariot som lagts upp i den nya forskningen skulle det istället fånga Hawking strålning. Detta är strålning som förutspås skapas när virtuella partikel-antipartikelpar inom kvantvakuumet rivs isär vid ett svart håls händelsehorisont - antipartikeln försvinner sedan in i tomrummet och partikeln släpps ut i det omgivande utrymmet.
I sitt tankeexperiment föreställer kvartetten sig en Unruh–deWitt-detektor placerad vid en specifik punkt utanför ett svart håls händelsehorisont, med detektorns fasta position aktiverad av en acceleration bort från det svarta hålet som ger Hawking-strålningen. Forskarna överväger effekten av en överlagring av det svarta hålets massa på utsignalen från den detektorn.
Överlagring av avstånd
Som de förklarar ger de två massorna olika lösningar på fältekvationerna för allmän relativitet och därigenom distinkta rum-tider. Den resulterande överlagringen av rum-tider lämnar i sin tur detektorn i en överlagring av avstånd från händelsehorisonten, vilket skapar vad som i själva verket är en interferometer vars armar är associerade med en av de svarta hålsmassorna. Sannolikheten att detektorn klickar beror på vilka massor som finns i superpositionen.
Genom att göra beräkningarna för ett relativt enkelt svart hål som beskrivs i två rumsliga dimensioner av Banados-Teitelboim-Zanelli-formuleringen, fick fysikerna ett slående resultat. De plottade sannolikheten för att detektera en partikel som emitteras av det svarta hålet som en funktion av kvadratroten av superpositionens massförhållanden och fann skarpa toppar när dessa värden var lika med 1/n, med n vara ett heltal.
Entangled Hawking-strålning upptäcks i analogt svart hål
Forskarna tillskriver detta beteende till konstruktiv interferens mellan strålningen i interferometerarmarna som motsvarar de svarta hålsmassorna som förutspåddes av den amerikansk-israelske fysikern Jacob Bekenstein på 1970-talet. Han visade att ytarean av ett svart håls händelsehorisont – och därför dess massa – är en adiabatisk invariant. Detta är en fysisk egenskap som förblir konstant när den påverkas långsamt och som resulterar i att massan kvantiseras.
"Detta resultat ger oberoende stöd för Bekensteins gissningar," skriver forskarna i Fysiska granskningsbrev, "visar hur detektorns excitationssannolikhet kan avslöja en genuin kvantgravitationsegenskap hos ett kvantsvart hål".
De fyra fysikerna betonar att resultatet framkom från deras beräkningar utan att anta att svarthålsmassan måste falla inom de diskreta banden som förutspåddes av Bekensteins gissning. De tillägger att deras teknik skulle kunna utökas till mer komplexa beskrivningar av svarta hål i tre rumsliga dimensioner, vilket de säger skulle ge ytterligare insikter om effekterna av kvantgravitation i vårt universum.
