หลุมดำสามารถเปิดเผยสถานะการซ้อนทับควอนตัมของพวกมันได้ การคำนวณใหม่เปิดเผย

การซ้อนทับทางควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงคุณสมบัติของอนุภาคย่อยของอะตอมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัตถุขนาดใหญ่ที่สุดในจักรวาลด้วย นั่นคือข้อสรุปของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีสี่คนในออสเตรเลียและแคนาดา ซึ่งคำนวณการตอบสนองตามสมมุติฐานของเครื่องตรวจจับอนุภาคที่วางระยะห่างจากหลุมดำในระดับหนึ่ง นักวิจัยกล่าวว่าเครื่องตรวจจับจะเห็นสัญญาณใหม่ของการทับซ้อนของกาลอวกาศ ซึ่งหมายความว่าหลุมดำอาจมีมวลต่างกันสองก้อนพร้อมกัน

หลุมดำก่อตัวขึ้นเมื่อวัตถุมวลมาก เช่น ดาวฤกษ์ยุบตัวเป็นเอกฐาน ซึ่งเป็นจุดที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ สนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำนั้นยิ่งใหญ่จนไม่มีสิ่งใดรอดพ้นเงื้อมมือของหลุมดำได้ แม้แต่แสง สิ่งนี้สร้างพื้นที่ทรงกลมรอบเอกฐานที่ตัดขาดจากส่วนที่เหลือของเอกภพโดยสิ้นเชิงและล้อมรอบด้วยสิ่งที่เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์

งานวิจัยด้านฟิสิกส์ของหลุมดำกำลังพยายามพัฒนาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สอดคล้องกัน นี่คือเป้าหมายสำคัญของฟิสิกส์ทฤษฎีที่จะกระทบยอดกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อพิจารณาหลุมดำในการซ้อนทับของควอนตัม นักฟิสิกส์หวังว่าจะได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของควอนตัมของอวกาศ-เวลา

เครื่องตรวจจับ Unruh–deWitt

ตัว Vortex Indicator ได้ถูกนำเสนอลงในนิตยสาร งานล่าสุดรายงานใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น, โจชัว ฟู และ มักดาเลนา ซิช แห่งมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ร่วมกับ เซมิลี อาราบาซี และ โรเบิร์ตแมนน์ ที่มหาวิทยาลัย Waterloo ร่างสิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็นกรอบการดำเนินงานใหม่สำหรับการศึกษาการวางซ้อนของอวกาศและเวลา แทนที่จะใช้วิธี "จากบนลงล่าง" ในการหาปริมาณของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป พวกเขาพิจารณาผลกระทบของสถานะควอนตัมของหลุมดำต่อพฤติกรรมของอุปกรณ์ทางกายภาพที่เรียกว่า Unruh–deWitt detector

นี่คืออุปกรณ์สมมุติที่ประกอบด้วยระบบสองสถานะ เช่น อนุภาคในกล่อง คู่กับสนามควอนตัม เมื่ออยู่ในสถานะพลังงานต่ำและสัมผัสกับการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในความถี่ที่เหมาะสม ระบบจะข้ามไปยังสถานะที่สูงขึ้นและลงทะเบียน "คลิก"

เครื่องตรวจจับประเภทนี้ในทางทฤษฎีสามารถใช้วัดได้ รังสีอุกฉกรรจ์อ่างความร้อนของอนุภาคที่คาดว่าจะปรากฏขึ้นจากสุญญากาศควอนตัมไปยังผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเร่งความเร็วผ่านอวกาศ ในสถานการณ์ที่กำหนดไว้ในการวิจัยใหม่ จะเป็นการจับภาพแทน รังสี Hawking. นี่คือการแผ่รังสีที่คาดการณ์ว่าจะเกิดขึ้นเมื่อคู่ของอนุภาคเสมือน-ปฏิปักษ์ภายในสุญญากาศควอนตัมถูกแยกออกจากกันที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ จากนั้นปฏิอนุภาคจะหายเข้าไปในช่องว่างและอนุภาคถูกปล่อยออกมาในอวกาศโดยรอบ

ในการทดลองทางความคิดของพวกเขา ทั้งสี่คนมองเห็นเครื่องตรวจจับ Unruh–deWitt ซึ่งอยู่ที่จุดใดจุดหนึ่งนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ โดยที่ตำแหน่งคงที่ของเครื่องตรวจจับเปิดใช้งานได้โดยการเร่งความเร็วออกจากหลุมดำที่ให้รังสีฮอว์คิง นักวิจัยพิจารณาผลของการทับซ้อนของมวลหลุมดำต่อเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับนั้น

การซ้อนทับของระยะทาง

ขณะที่พวกเขาอธิบาย มวลทั้งสองให้คำตอบที่แตกต่างกันสำหรับสมการสนามของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และด้วยเหตุนี้จึงมีปริภูมิ-เวลาที่แตกต่างกัน การซ้อนทับกันของปริภูมิ-เวลาส่งผลให้เครื่องตรวจจับเกิดการทับซ้อนของระยะทางจากขอบฟ้าเหตุการณ์ ทำให้เกิดอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่แขนแต่ละข้างเชื่อมโยงกับหนึ่งในมวลของหลุมดำ ความน่าจะเป็นที่เครื่องตรวจจับคลิกขึ้นอยู่กับมวลที่มีอยู่ในการซ้อนทับ

เมื่อคำนวณหลุมดำที่ค่อนข้างง่ายซึ่งอธิบายไว้ในสองมิติเชิงพื้นที่โดยสูตร Banados–Teitelboim–Zanelli นักฟิสิกส์ได้รับผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ พวกเขาวางแผนความน่าจะเป็นในการตรวจจับอนุภาคที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำเป็นฟังก์ชันของรากที่สองของอัตราส่วนมวลซ้อน และพบยอดแหลมเมื่อค่าเหล่านั้นเท่ากับ 1/nมี n เป็นจำนวนเต็ม

นักวิจัยระบุว่าพฤติกรรมนี้เป็นการรบกวนเชิงสร้างสรรค์ระหว่างการแผ่รังสีในแขนอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่สอดคล้องกับมวลของหลุมดำที่ทำนายโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน-อิสราเอล Jacob Bekenstein ในปี 1970 เขาแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ - และมวลของมัน - เป็นค่าคงที่แบบอะเดียแบติก นี่คือคุณสมบัติทางกายภาพที่คงที่เมื่อดำเนินการอย่างช้าๆ และส่งผลให้มวลถูกวัดปริมาณ

"ผลลัพธ์นี้ให้การสนับสนุนอย่างอิสระสำหรับการคาดเดาของ Bekenstein" นักวิจัยเขียนไว้ จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น, "แสดงให้เห็นว่าความน่าจะเป็นในการกระตุ้นของเครื่องตรวจจับสามารถเปิดเผยคุณสมบัติความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมที่แท้จริงของหลุมดำควอนตัมได้อย่างไร"

นักฟิสิกส์ทั้งสี่เน้นย้ำว่าผลที่เกิดขึ้นจากการคำนวณของพวกเขาโดยไม่ได้สันนิษฐานว่ามวลของหลุมดำจะต้องตกอยู่ในแถบที่ไม่ต่อเนื่องตามที่คาดการณ์ไว้จากการคาดคะเนของเบเคนสไตน์ พวกเขาเสริมว่าเทคนิคของพวกเขาสามารถขยายไปยังคำอธิบายที่ซับซ้อนมากขึ้นของหลุมดำในสามมิติเชิงพื้นที่ ซึ่งพวกเขากล่าวว่าจะให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของแรงโน้มถ่วงควอนตัมในจักรวาลของเรา