Araştırmacılar, Kara Deliklerin Sonunda Tüm Kuantum Durumlarını Yok Edeceğini İddia Ediyor

1970'lerin başında Princeton Üniversitesi'nde, ünlü teorik fizikçi John Wheeler seminerlerde veya koridorda yapılan doğaçlama tartışmalarda büyük bir "U" çizerken fark edilebilirdi. Mektubun sol ucu, her şeyin belirsiz olduğu ve tüm kuantum olasılıklarının aynı anda gerçekleştiği evrenin başlangıcını temsil ediyordu. Mektubun bazen bir gözle süslenmiş sağ ucu, zamanda geriye bakan bir gözlemciyi tasvir ediyor ve böylece U'nun sol tarafını var ediyor.

Wheeler'ın dediği gibi bu "katılımcı evren"de, kozmos U etrafında genişledi ve soğudu, yapılar oluşturdu ve sonunda insanlar ve ölçüm cihazları gibi gözlemciler yarattı. Bu gözlemciler erken evrene dönüp bakarak onu bir şekilde gerçeğe dönüştürdüler.

“'Gözlenen bir fenomen olana kadar hiçbir fenomen gerçek bir fenomen değildir' gibi şeyler söylerdi” dedi. Robert M. Wald, o sırada Wheeler'ın doktora öğrencisi olan Chicago Üniversitesi'nde teorik bir fizikçi.

Şimdi, kuantum teorisinin bir kara deliğin ufkunda nasıl davrandığını inceleyen Wald ve işbirlikçileri, Wheeler'ın katılımcı evrenini düşündüren yeni bir etki hesapladılar. Bir kara deliğin yalnızca varlığının, bir parçacığın puslu “süperpozisyonunu” - birden fazla potansiyel durumda olma durumunu - iyi tanımlanmış bir gerçekliğe dönüştürmek için yeterli olduğunu buldular. Ortak yazar, "Bu kara delik ufuklarının izlediği fikrini çağrıştırıyor" dedi. Gautam Satishchandran, Princeton'da bir teorik fizikçi.

"Bulduğumuz şey, [katılımcı evrenin] kuantum mekaniksel bir gerçekleşmesi olabilir, ancak burada uzay-zamanın kendisi gözlemci rolünü oynuyor" dedi. Daine Danielson, üçüncü yazar, yine Chicago'da.

Teorisyenler şimdi bu dikkatli kara deliklere ne okumaları gerektiğini tartışıyorlar. "Bu bize yerçekiminin kuantum mekaniğinde ölçümü nasıl etkilediği hakkında derin bir şeyler anlatıyor gibi görünüyor" dedi. Sam Gralla, Arizona Üniversitesi'nde teorik bir astrofizikçi. Ancak bunun tam bir kuantum yerçekimi teorisine doğru yavaş yavaş ilerleyen araştırmacılar için yararlı olup olmayacağı hala kimsenin tahmini değil.

Etki, kuantum teorisi düşük enerjilerde yerçekimi ile birleştirildiğinde ne olduğunu inceleyen fizikçiler tarafından son on yılda ortaya çıkarılan pek çok etkiden biridir. Örneğin, teorisyenler hakkında düşünerek büyük başarı elde ettiler. Hawking radyasyonu, bu da kara deliklerin yavaşça buharlaşmasına neden olur. "Daha önce gerçekten fark etmediğimiz ince efektler, bize kuantum yerçekimine nasıl yükseleceğimize dair ipuçları toplayabileceğimiz kısıtlamalar veriyor" dedi. Alex Lupsasca, Vanderbilt Üniversitesi'nde yeni araştırmaya dahil olmayan bir teorik fizikçi.

Lupsasca, bu gözlemci kara delikler "çok dikkat çekici" bir etki yaratıyor gibi görünüyor, "çünkü bir şekilde derinmiş gibi hissettiriyor" dedi.

Kara Delikler ve Süperpozisyonlar

Bir kara deliğin evreni nasıl gözlemleyebileceğini anlamak için küçük başlayın. Kuantum parçacıklarının bir bariyerdeki iki yarığa doğru ateşlendiği klasik çift yarık deneyini düşünün. Geçiş yapanlar daha sonra diğer taraftaki bir ekran tarafından algılanır.

İlk başta, her hareket eden parçacık ekranda rastgele görünüyor. Ancak yarıklardan daha fazla parçacık geçtikçe, açık ve koyu şeritlerden oluşan bir model ortaya çıkıyor. Bu örüntü, her bir parçacığın aynı anda her iki yarıktan geçen dalgalar gibi davrandığını öne sürer. Bantlar, dalgaların iniş ve çıkışlarının ya bir araya gelmesiyle ya da birbirini yok etmesiyle oluşur - buna girişim adı verilen bir olgu.

Şimdi parçacığın iki yarıktan hangisinden geçtiğini ölçmek için bir detektör ekleyin. Açık ve koyu çizgili desen kaybolacaktır. Gözlem eylemi parçacığın durumunu değiştirir - dalga benzeri doğası tamamen ortadan kalkar. Fizikçiler, algılama aygıtı tarafından elde edilen bilginin, kuantum olasılıklarını kesin bir gerçekliğe "çözümlediğini" söylüyor.

Daha da önemlisi, parçacığın hangi yolu izlediğini anlamak için dedektörünüzün yarıklara yakın olması gerekmez. Örneğin yüklü bir parçacık, sağdan mı yoksa soldan mı geçtiğine bağlı olarak biraz farklı güçlere sahip olabilen uzun menzilli bir elektrik alanı yayar. Bu alanı uzaktan ölçmek, yine de parçacığın hangi yolu izlediği hakkında bilgi toplamanıza izin verecek ve böylece uyumsuzluğa neden olacaktır.

2021'de Wald, Satishchandran ve Danielson Varsayımsal gözlemciler bu şekilde bilgi topladığında ortaya çıkan bir paradoksu araştırıyorlardı.. Süperpozisyonda bir parçacık yaratan Alice adında bir deneyci hayal ettiler. Daha sonra, bir girişim modeli arar. Parçacık, yalnızca Alice onu gözlemlerken herhangi bir dış sistemle fazla karışmamışsa girişim sergileyecektir.

Ardından, parçacığın uzun menzilli alanlarını ölçerek parçacığın konumunu uzaktan ölçmeye çalışan Bob gelir. Nedensellik kurallarına göre Bob, Alice'in deneyinin sonucunu etkileyemez, çünkü Bob'dan gelen sinyaller Alice'e ulaşana kadar deney bitmiş olmalıdır. Bununla birlikte, kuantum mekaniğinin kurallarına göre, Bob parçacığı başarılı bir şekilde ölçerse, parçacık ona karışacak ve Alice bir girişim deseni görmeyecektir.

Üçlü, Bob'un eylemlerinden kaynaklanan uyumsuzluğun miktarının, Alice'in yaydığı radyasyonun (ayrıca parçacıkla karışan) doğal olarak neden olacağı uyumsuzluktan her zaman daha az olduğunu titizlikle hesapladı. Yani Bob, Alice'in deneyinin şifresini asla çözemezdi çünkü o zaten kendisi deneyi çözebilirdi. Her ne kadar bu paradoksun daha eski bir versiyonu 2018'de çözüldü Wald ve farklı bir araştırma ekibi tarafından yapılan bir zarfın arkası hesaplamasıyla, Danielson bunu bir adım daha ileri götürdü.

Ortak çalışanlarına bir düşünce deneyi sundu: "Neden [Bob'un] dedektörünü bir kara deliğin arkasına koyamıyorum?" Böyle bir kurulumda, olay ufkunun dışında bir süperpozisyondaki bir parçacık, ufuktan geçen alanlar yayar ve kara deliğin diğer tarafında Bob tarafından tespit edilir. Danielson, dedektörün parçacık hakkında bilgi edindiğini, ancak olay ufku "tek yönlü bir bilet" olduğundan hiçbir bilginin geri alınamayacağını söyledi. Ekip, "Bob, Alice'i kara deliğin içinden etkileyemez, bu nedenle aynı uyumsuzluk Bob olmadan da gerçekleşmelidir" diye yazdı. Kuantum. Kara deliğin kendisi süperpozisyonu çözmelidir.

Danielson, "Katılımcı evrenin daha şiirsel dilinde, sanki ufuk süperpozisyonları izliyor gibidir" dedi.

Bu içgörüyü kullanarak, kuantum süperpozisyonlarının kara deliğin uzay-zamanından nasıl etkilendiğine dair kesin bir hesaplama üzerinde çalışmaya başladılar. İçinde Kağıt Ocak ayında ön baskı sunucusu arxiv.org'da yayınlandıktan sonra, radyasyonun olay ufkunu geçtiği ve böylece eşevresizliğin meydana gelmesine neden olduğu hızı açıklayan basit bir formüle ulaştılar. Wald, "Bir etkisinin olması benim için çok şaşırtıcıydı," dedi.

Ufukta Saç

Olay ufuklarının bilgi topladığı ve uyumsuzluğa neden olduğu fikri yeni değil. 2016 yılında Stephen Hawking, Malcolm Perry ve Andrew Strominger tarif edilen Olay ufkundan geçen parçacıklara, bu parçacıklar hakkında bilgi kaydeden çok düşük enerjili radyasyon eşlik edebilir. Bu içgörü, Hawking'in kara deliklerin radyasyon yaydığına dair daha önceki keşfinin önemli bir sonucu olan kara delik bilgi paradoksuna bir çözüm olarak önerildi.

Sorun, Hawking radyasyonunun kara deliklerden enerji çekmesi ve zamanla tamamen buharlaşmalarına neden olmasıydı. Bu süreç, kara deliğe düşen herhangi bir bilgiyi yok ediyor gibi görünmektedir. Ancak bunu yapmak, kuantum mekaniğinin temel bir özelliği ile çelişir: evrendeki bilgi yaratılamaz veya yok edilemez.

Üçlünün önerdiği düşük enerjili radyasyon, bazı bilgilerin kara deliğin etrafında bir hale halinde dağılmasına ve kaçmasına izin vererek bunun üstesinden gelebilir. Araştırmacılar bilgi açısından zengin haleyi "yumuşak saç" olarak adlandırdı.

Wald, Satishchandran ve Danielson kara delik bilgi paradoksunu araştırmıyorlardı. Ancak çalışmaları yumuşak saçlardan yararlanıyor. Spesifik olarak, yumuşak saçın yalnızca parçacıklar bir ufuk boyunca düştüğünde değil, bir kara deliğin dışındaki parçacıklar yalnızca farklı bir konuma hareket ettiğinde de oluştuğunu gösterdiler. Dışarıdaki herhangi bir kuantum süperpozisyonu, ufukta yumuşak saçlarla karışacak ve tanımladıkları uyumsuzluk etkisine yol açacaktır. Bu şekilde, üst üste binme ufukta bir tür "anı" olarak kaydedilir.

Hesaplama, "yumuşak saçın somut bir şekilde gerçekleşmesidir" dedi. daniel carneyLawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda teorik fizikçi. “Harika bir kağıt. Bu fikri ayrıntılı olarak uygulamaya çalışmak için çok faydalı bir yapı olabilir.”

Ancak Carney ve kuantum yerçekimi araştırmasının ön saflarında çalışan diğer bazı teorisyenler için bu uyumsuzluk etkisi o kadar da şaşırtıcı değil. Elektromanyetik kuvvetin ve yerçekiminin uzun menzilli doğası, "evrenin geri kalanından herhangi bir şeyi izole etmenin zor olduğu" anlamına gelir. Daniel Harlow, Massachusetts Institute of Technology'de teorik fizikçi.

Toplam Uyumsuzluk

Yazarlar tartışmak bu tür bir uyumsuzlukta benzersiz bir şekilde "sinsi" bir şey olduğu. Genellikle fizikçiler, deneylerini dış ortamdan koruyarak eşevresizliği kontrol edebilirler. Örneğin bir vakum, yakındaki gaz moleküllerinin etkisini ortadan kaldırır. Ancak yerçekimini hiçbir şey koruyamaz, bu nedenle bir deneyi yerçekiminin uzun menzilli etkisinden izole etmenin bir yolu yoktur. Satishchandran, "Sonunda, her süperpozisyon tamamen çözülecek" dedi. "Etrafından dolaşmanın bir yolu yok."

Bu nedenle yazarlar, kara delik ufuklarının uyumsuzlukta daha önce bilinenden daha aktif bir rol üstlendiğini düşünüyorlar. Bir e-postada "Evrenin geometrisi, içindeki maddenin aksine, uyumsuzluktan sorumludur" diye yazmışlardı. Kuantum.

Carney, yeni uyumsuzluk etkisinin nedensellik tarafından belirlenen kurallarla birlikte elektromanyetik veya yerçekimi alanlarının bir sonucu olarak da anlaşılabileceğini söyleyerek bu yoruma itiraz ediyor. Carney, kara delik ufkunun zamanla değiştiği Hawking radyasyonunun aksine, bu durumda ufkun "hiçbir dinamiği yok" dedi. “Ufuk kendi başına hiçbir şey yapmaz; Ben o dili kullanmazdım.”

Nedenselliği ihlal etmemek için, kara deliğin dışındaki süperpozisyonların, kara deliğin içindeki varsayımsal bir gözlemcinin onlar hakkında bilgi toplayabileceği maksimum olası oranda çözülmesi gerekir. Gralla, "Yerçekimi, ölçüm ve kuantum mekaniği hakkında yeni bir ilkeye işaret ediyor gibi görünüyor" dedi. "Bunun yerçekimi ve kuantum mekaniği formüle edildikten 100 yıl sonra olmasını beklemiyorsunuz."

Şaşırtıcı bir şekilde, bu tür bir uyumsuzluk, bilginin yalnızca tek bir yönde hareket etmesine izin veren ve nedensellik paradoksları için potansiyel yaratan bir ufkun olduğu her yerde meydana gelecektir. Kozmolojik ufuk olarak adlandırılan bilinen evrenin sınırı, başka bir örnektir. Ya da sürekli hızlanan ve ışık hızına yaklaşan bir gözlemcinin arkasında oluşan ve ışık ışınlarının artık onları yakalayamadığı “Rindler ufku”nu düşünün. Tüm bu “Killing Horizons” (adını 19. yüzyılın sonları ile 20. yüzyılın başlarındaki Alman matematikçiden almıştır. Wilhelm'in Öldürülmesi) kuantum süperpozisyonlarının çözülmesine neden olur. Satishchandran, "Bu ufuklar sizi gerçekten aynı şekilde izliyor" dedi.

Bilinen evrenin sınırı için evrenin içindeki her şeyi izlemenin tam olarak ne anlama geldiği tam olarak net değil. Lupsasca, "Kozmolojik ufku anlamıyoruz" dedi. "Süper büyüleyici ama kara deliklerden çok daha zor."

Her halükarda, fizikçiler yerçekimi ve kuantum teorisinin çarpıştığı bunun gibi düşünce deneyleri yaparak birleşik bir teorinin davranışını öğrenmeyi umuyorlar. Wald, "Bu muhtemelen bize kuantum yerçekimi hakkında daha fazla ipucu veriyor" dedi. Örneğin, yeni etki, teorisyenlerin dolaşıklığın uzay-zaman ile nasıl ilişkili olduğunu anlamalarına yardımcı olabilir.

Lupsasca, "Bu etkiler, kuantum yerçekiminin son hikayesinin bir parçası olmalı" dedi. "Şimdi, bu teoriye dair içgörü toplama yolunda çok önemli bir ipucu olacaklar mı? Araştırmaya değer.”

Katılımcı Evren

Danielson, bilim adamlarının uyumsuzluğun tüm biçimlerini öğrenmeye devam ettikçe, Wheeler'ın katılımcı evren kavramının daha net hale geldiğini söyledi. Görünüşe göre evrendeki tüm parçacıklar, gözlemlenene kadar ince bir üst üste binme halindeler. Kesinlik etkileşimler yoluyla ortaya çıkar. Danielson, "Sanırım Wheeler'ın aklında böyle bir şey vardı," dedi.

Yazarlar, kara deliklerin ve diğer Killing ufuklarının "beğenseniz de beğenmeseniz de" her şeyi her zaman gözlemlediği bulgusunun, katılımcı evreni diğer uyumsuzluk türlerinden "daha çağrıştırıcı" olduğunu söylediler.

Wheeler'ın felsefesini büyük ölçekte satın almaya herkes hazır değil. "Evrenin kendini gözlemlediği fikri mi? Bu bana biraz Jedi gibi geliyor," dedi Lupsasca, yine de "her şeyin etkileşimler yoluyla her zaman kendini gözlemlediği" konusunda hemfikir.

Carney, "Şiirsel olarak, bu şekilde düşünebilirsiniz," dedi. "Şahsen, ufkun varlığının, çevresinde yaşayan tarlaların gerçekten ilginç bir şekilde ufukta sıkışıp kalacağı anlamına geldiğini söyleyebilirim."

Wald 1970'lerde öğrenciyken Wheeler "büyük U"yu ilk kez çizdiğinde, Wald bunu pek umursamadı. "Wheeler'ın fikri bana o kadar da sağlam temellere dayanmamış gibi geldi," dedi.

Ve şimdi? Wald, Wheeler'ın, etki hesaplanmadan çok önce Hawking radyasyonunu tahmin ettiğini belirterek, "Yaptığı birçok şey coşku ve daha sonra gerçekten isabetli olduğu ortaya çıkan bazı belirsiz fikirlerdi" dedi.

"Kendisini, diğer insanların izlemesi için olası yolları aydınlatmak için bir lamba ışığı tutuyor olarak gördü."