Sự chồng chất lượng tử không chỉ là tính chất của các hạt hạ nguyên tử mà còn của các vật thể có khối lượng lớn nhất trong vũ trụ. Đó là kết luận của bốn nhà vật lý lý thuyết ở Australia và Canada, những người đã tính toán phản ứng giả thuyết của một máy dò hạt đặt cách lỗ đen một khoảng nào đó. Các nhà nghiên cứu cho biết máy dò sẽ nhìn thấy những dấu hiệu mới về không-thời gian chồng chất, ngụ ý rằng lỗ đen có thể đồng thời có hai khối lượng khác nhau.
Các lỗ đen được hình thành khi các vật thể cực lớn như các ngôi sao sụp đổ thành một điểm kỳ dị – một điểm có mật độ vô hạn. Trường hấp dẫn của lỗ đen lớn đến mức không thứ gì có thể thoát khỏi nanh vuốt của nó, kể cả ánh sáng. Điều này tạo ra một vùng không gian hình cầu xung quanh điểm kỳ dị hoàn toàn bị cắt đứt khỏi phần còn lại của vũ trụ và được giới hạn bởi cái gọi là chân trời sự kiện.
Một lĩnh vực nghiên cứu tích cực về vật lý của lỗ đen là tìm cách phát triển một lý thuyết nhất quán về lực hấp dẫn lượng tử. Đây là một mục tiêu quan trọng của vật lý lý thuyết nhằm dung hòa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein. Đặc biệt, bằng cách xem xét các lỗ đen trong sự chồng chất lượng tử, các nhà vật lý hy vọng thu được những hiểu biết sâu sắc về bản chất lượng tử của không-thời gian.
Máy dò Unruh–deWitt
Trong tạp chí công trình mới nhất, báo cáo trong Physical Review Letters, Joshua Foo và Magdalena Zych của Đại học Queensland cùng với Cemile Arabaci và Robert Mann tại Đại học Waterloo phác thảo những gì họ mô tả như một khuôn khổ hoạt động mới để nghiên cứu sự chồng chất không-thời gian. Thay vì sử dụng cách tiếp cận “từ trên xuống” để lượng tử hóa thuyết tương đối rộng, thay vào đó, họ xem xét tác động của trạng thái lượng tử của lỗ đen đối với hành vi của một thiết bị vật lý cụ thể gọi là máy dò Unruh–deWitt.
Đây là một thiết bị giả thuyết bao gồm một hệ thống hai trạng thái, chẳng hạn như một hạt trong hộp, kết hợp với một trường lượng tử. Khi ở trạng thái năng lượng thấp và tiếp xúc với bức xạ điện từ có tần số phù hợp, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái cao hơn và ghi lại một tiếng “click”.
Loại máy dò này về lý thuyết có thể được sử dụng để đo bức xạ unruh, một bể nhiệt gồm các hạt được dự đoán sẽ xuất hiện từ chân không lượng tử đến một người quan sát đang tăng tốc trong không gian. Trong kịch bản được đặt ra trong nghiên cứu mới, thay vào đó, nó sẽ nắm bắt Bức xạ Hawking. Đây là bức xạ được dự đoán là sẽ được tạo ra khi các cặp hạt-phản hạt ảo trong chân không lượng tử bị tách ra ở chân trời sự kiện của lỗ đen – sau đó phản hạt biến mất vào khoảng trống và hạt phát ra không gian xung quanh.
Trong thí nghiệm tưởng tượng của họ, bộ tứ hình dung một máy dò Unruh–deWitt đặt tại một điểm cụ thể bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, với vị trí cố định của máy dò được kích hoạt bởi một gia tốc ra khỏi lỗ đen tạo ra bức xạ Hawking. Các nhà nghiên cứu xem xét tác động của sự chồng chất khối lượng của lỗ đen lên đầu ra của máy dò đó.
chồng chất của khoảng cách
Như họ giải thích, hai khối lượng mang lại các nghiệm khác nhau cho các phương trình trường của thuyết tương đối rộng và do đó không-thời gian khác biệt. Đến lượt nó, sự chồng chất của không-thời gian khiến máy dò ở trạng thái chồng chất khoảng cách so với chân trời sự kiện, tạo ra thứ có hiệu lực là một giao thoa kế mà mỗi cánh tay được liên kết với một trong các khối lượng của lỗ đen. Xác suất mà máy dò nhấp chuột phụ thuộc vào khối lượng nào có mặt trong sự chồng chất.
Thực hiện các tính toán cho một lỗ đen tương đối đơn giản được mô tả trong hai chiều không gian bằng công thức Banados–Teitelboim–Zanelli, các nhà vật lý đã thu được một kết quả đáng kinh ngạc. Họ vẽ đồ thị xác suất phát hiện một hạt do lỗ đen phát ra như một hàm của căn bậc hai của tỷ lệ khối lượng chồng chất và tìm thấy các đỉnh nhọn khi các giá trị đó bằng 1/n, với n là một số nguyên.
Phát hiện bức xạ Hawking vướng víu trong lỗ đen tương tự
Các nhà nghiên cứu cho rằng hành vi này là do giao thoa mang tính xây dựng giữa bức xạ trong các nhánh giao thoa kế tương ứng với khối lượng lỗ đen được nhà vật lý người Mỹ gốc Israel Jacob Bekenstein dự đoán vào những năm 1970. Ông đã chỉ ra rằng diện tích bề mặt của chân trời sự kiện của lỗ đen – và do đó khối lượng của nó – là một bất biến đoạn nhiệt. Đây là một tính chất vật lý không đổi khi tác động chậm và dẫn đến khối lượng bị lượng tử hóa.
“Kết quả này cung cấp hỗ trợ độc lập cho phỏng đoán của Bekenstein,” các nhà nghiên cứu viết trong Physical Review Letters, “chứng minh xác suất kích thích của máy dò có thể tiết lộ tính chất hấp dẫn lượng tử thực sự của lỗ đen lượng tử như thế nào”.
Bốn nhà vật lý nhấn mạnh rằng kết quả xuất hiện từ các tính toán của họ mà không giả định rằng khối lượng lỗ đen phải nằm trong các dải riêng biệt được dự đoán bởi phỏng đoán của Bekenstein. Họ nói thêm rằng kỹ thuật của họ có thể được mở rộng sang những mô tả phức tạp hơn về lỗ đen trong ba chiều không gian, mà theo họ, sẽ cung cấp thêm những hiểu biết sâu sắc về tác động của lực hấp dẫn lượng tử trong vũ trụ của chúng ta.
