Квантова суперпозиція є властивістю не лише субатомних частинок, а й наймасивніших об’єктів у Всесвіті. Такий висновок зробили чотири фізики-теоретики з Австралії та Канади, які розрахували гіпотетичний відгук детектора частинок, розміщеного на деякій відстані від чорної діри. Дослідники кажуть, що детектор побачить нові ознаки накладеного простору-часу, що означає, що чорна діра може мати дві різні маси одночасно.
Чорні діри утворюються, коли надзвичайно масивні об’єкти, такі як зірки, колапсують до сингулярності – точки нескінченної щільності. Гравітаційне поле чорної діри настільки велике, що ніщо не може вирватися з її лап, навіть світло. Це створює сферичну область простору навколо сингулярності, повністю відрізану від решти Всесвіту та обмежену так званим горизонтом подій.
Активна сфера досліджень фізики чорних дір спрямована на розробку послідовної теорії квантової гравітації. Це важлива мета теоретичної фізики, яка примирить квантову механіку та загальну теорію відносності Ейнштейна. Зокрема, розглядаючи чорні діри в квантовій суперпозиції, фізики сподіваються отримати розуміння квантової природи простору-часу.
Детектор Унру-деВітта
У остання робота, повідомляється в Physical Review Letters,, Джошуа Фу та Магдалена Зич Квінслендського університету разом з Джеміле Арабачі та Роберт Манн в Університеті Ватерлоо описують те, що вони описують як нову операційну структуру для вивчення просторово-часових суперпозицій. Замість використання підходу «зверху вниз» для квантування загальної теорії відносності вони натомість розглядають вплив квантового стану чорної діри на поведінку конкретного фізичного пристрою, який називається детектор Унру-деВітта.
Це гіпотетичний пристрій, який містить систему з двома станами, таку як частинка в ящику, з’єднану з квантовим полем. Коли система перебуває в стані низької енергії та піддається електромагнітному випромінюванню потрібної частоти, система переходить у свій вищий стан і реєструє «клацання».
Цей тип детектора теоретично можна використовувати для вимірювання Унру випромінювання, теплова ванна частинок, яка, за прогнозами, з’явиться з квантового вакууму до спостерігача, який прискорюється в просторі. За сценарієм, викладеним у новому дослідженні, він натомість захопить Радіація Хокінга. Передбачається, що це випромінювання утворюється, коли віртуальні пари частинка–античастинка в квантовому вакуумі розриваються на горизонті подій чорної діри – античастинка зникає в порожнечі, а частинка вилітає в навколишній простір.
У своєму розумовому експерименті квартет передбачає детектор Унру-деВітта, розташований у певній точці за межами горизонту подій чорної діри, з фіксованим положенням детектора, що забезпечується прискоренням від чорної діри, що дає випромінювання Хокінга. Дослідники розглядають вплив суперпозиції маси чорної діри на вихід цього детектора.
Суперпозиція відстаней
Як вони пояснюють, дві маси дають різні розв’язки польових рівнянь загальної теорії відносності і, отже, різні простір-час. Отримана суперпозиція простору-часу, у свою чергу, залишає детектор у суперпозиції відстаней від горизонту подій, створюючи те, що фактично є інтерферометром, кожне плече якого пов’язане з однією з мас чорної діри. Імовірність клацання детектора залежить від того, які маси присутні в суперпозиції.
Виконуючи розрахунки для відносно простої чорної діри, описаної у двох просторових вимірах формулою Банадоса–Тейтельбойма–Занеллі, фізики отримали вражаючий результат. Вони побудували графік ймовірності виявлення частинки, випущеної чорною дірою, як функцію квадратного кореня із співвідношення мас суперпозиції та виявили різкі піки, коли ці значення дорівнювали 1/XNUMX.n, С n будучи цілим числом.
Заплутане випромінювання Хокінга, помічене в аналоговій чорній дірі
Дослідники пояснюють таку поведінку конструктивною інтерференцією між випромінюванням в плечах інтерферометра, які відповідають масам чорної діри, передбаченими американо-ізраїльським фізиком Якобом Бекенштейном у 1970-х роках. Він показав, що площа поверхні горизонту подій чорної діри – і, отже, її маса – є адіабатичним інваріантом. Це фізична властивість, яка залишається постійною, якщо на неї впливати повільно, і яка призводить до квантування маси.
«Цей результат забезпечує незалежну підтримку припущення Бекенштейна», — пишуть дослідники Physical Review Letters,, «демонструючи, як імовірність збудження детектора може виявити справжню квантово-гравітаційну властивість квантової чорної діри».
Четверо фізиків підкреслюють, що результат вийшов із їхніх розрахунків без припущення, що маса чорної діри повинна була потрапити в дискретні зони, передбачені гіпотезою Бекенштейна. Вони додають, що їхню техніку можна розширити до більш складних описів чорних дір у трьох просторових вимірах, що, за їхніми словами, забезпечить додаткове уявлення про вплив квантової гравітації у нашому Всесвіті.
