Ογκώδεις μαύρες τρύπες φαίνεται ότι δρουν σαν κβαντικά σωματίδια

Όταν δύο μαύρες τρύπες συγκρούονται, η τιτανική συντριβή κυματίζει μέσα από το ίδιο το ύφασμα του σύμπαντος. Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τη θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν για να προβλέψουν τα τραχιά περιγράμματα αυτών των βαρυτικών κυμάτων καθώς περνούν από τη Γη και κύμα μετά το κύμα έχει επιβεβαιωθεί από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo. Αλλά οι φυσικοί αρχίζουν να παραπαίουν καθώς προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τις ακανθώδεις εξισώσεις του Αϊνστάιν για να εξαγάγουν εξαιρετικά ακριβή σχήματα όλων των πιθανών αντηχήσεων. Αυτές οι άγνωστες προς το παρόν λεπτομέρειες θα είναι απαραίτητες για την πλήρη κατανόηση των λεπτών κυματισμών που θα πρέπει να πάρουν τα παρατηρητήρια επόμενης γενιάς.

Η ανακούφιση, ωστόσο, μπορεί να έρχεται από μια φαινομενικά απίθανη κατεύθυνση.

Τα τελευταία χρόνια, φυσικοί που ειδικεύονται στην απόκρυφη συμπεριφορά των κβαντικών σωματιδίων έχουν στρέψει τον μαθηματικό μηχανισμό τους προς τις μαύρες τρύπες, οι οποίες, σε απόσταση, μοιάζουν με σωματίδια. Αρκετές ομάδες έκαναν πρόσφατα ένα εκπληκτικό εύρημα. Έδειξαν ότι η συμπεριφορά ενός βαρυτικού (ή ηλεκτρομαγνητικού) κύματος μπορεί να γίνει πλήρως γνωστή μέσω των ενεργειών ενός μόνο από τα αμέτρητα σωματίδια του, σαν να μπορούσαμε να μάθουμε την ακριβή σιλουέτα ενός τσουνάμι αφού εξετάσουμε ένα μόνο μόριο νερού.

«Δεν θα το πίστευα δυνατό και εξακολουθώ να δυσκολεύομαι να τυλίξω το κεφάλι μου γύρω από αυτό», είπε ο Radu Roiban, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους μελλοντικούς ερευνητές να ερμηνεύσουν τις πιο αιχμηρές φαρέτρες στον χωροχρόνο που θα καταγράψουν τα μελλοντικά παρατηρητήρια. Σηματοδοτούν επίσης το επόμενο βήμα στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι θεωρίες των κβαντικών σωματιδίων καταγράφουν γεγονότα που λαμβάνουν χώρα στο μεγαλύτερο επίπεδο της πραγματικότητάς μας.

«Ποια είναι η ακριβής σύνδεση μεταξύ αυτών των κβαντικών ιδεών και του πραγματικού κόσμου; Αυτό είναι το αντικείμενο [η έρευνά τους]», δήλωσε ο Zvi Bern, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός στο Ινστιτούτο Bhaumik για Θεωρητική Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. "[Παρέχει] μια πολύ καλύτερη κατανόηση αυτού από ό,τι είχαμε πριν."

Quantum Cheat Codes

Κατ' αρχήν, οι περισσότεροι φυσικοί αναμένουν ότι οι κβαντικές εξισώσεις μπορούν επίσης να χειριστούν μεγάλα αντικείμενα. Είμαστε, τελικά, σε μεγάλο βαθμό σύννεφα ηλεκτρονίων και κουάρκ. Στην πράξη, ωστόσο, οι νόμοι του Νεύτωνα αρκούν. Εάν υπολογίζουμε το τόξο μιας βολίδας, δεν έχει νόημα να ξεκινήσουμε με ένα ηλεκτρόνιο.

«Κανείς με το σωστό μυαλό του δεν θα το έκανε λέγοντας «Ας εξετάσουμε την κβαντική θεωρία, ας λύσουμε αυτό το πρόβλημα και ας εξαγάγουμε την κλασική φυσική», είπε ο Μπερν. "Αυτό θα ήταν ηλίθιο."

Αλλά η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων οδηγεί τους φυσικούς να εξετάσουν απεγνωσμένα μέτρα. Όταν δύο μαύρες τρύπες κινούνται σπειροειδώς η μια προς την άλλη και συγκρούονται μεταξύ τους, το σχήμα της προκύπτουσας ανάδευσης του χωροχρόνου εξαρτάται από τις μάζες, τις περιστροφές και άλλες ιδιότητές τους. Για να κατανοήσουν πλήρως τα κοσμικά βουητά που γίνονται αισθητά στις εγκαταστάσεις βαρυτικών κυμάτων, οι φυσικοί υπολογίζουν εκ των προτέρων πώς διάφορα ζεύγη μαύρων τρυπών θα τινάζουν τον χωροχρόνο. Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι πολύ περίπλοκες για να λυθούν με ακρίβεια, επομένως ορισμένες από τις κυματομορφές του LIGO/Virgo προήλθαν από ακριβείς προσομοιώσεις υπερυπολογιστή. Κάποια από αυτά μπορεί να χρειαστούν ένα μήνα. Η συνεργασία LIGO/Virgo βασίζεται σε μια συλλογή εκατοντάδων χιλιάδων κυματομορφών, συγχωνευμένων από προσομοιώσεις και άλλες ταχύτερες αλλά πιο σκληρές μεθόδους.

Οι φυσικοί των σωματιδίων, τουλάχιστον σε ορισμένες περιπτώσεις, πιστεύουν ότι μπορούν να λάβουν ταχύτερα και ακριβέστερα αποτελέσματα. Από μια σμίκρυνση, οι μαύρες τρύπες μοιάζουν κάπως με τεράστια σωματίδια και οι φυσικοί έχουν περάσει δεκαετίες σκεπτόμενοι τι συμβαίνει όταν τα σωματίδια πέφτουν στο κενό.

«Με τα χρόνια έχουμε γίνει εξαιρετικά καλοί στην κβαντική σκέδαση στη βαρύτητα», είπε ο Μπερν. "Έχουμε όλα αυτά τα καταπληκτικά εργαλεία που μας επιτρέπουν να κάνουμε αυτούς τους πολύ περίπλοκους υπολογισμούς."

Τα κύρια εργαλεία του εμπορίου είναι γνωστά ως πλάτη, μαθηματικές εκφράσεις που δίνουν τις πιθανότητες κβαντικών γεγονότων. Ένα πλάτος «τεσσάρων σημείων», για παράδειγμα, περιγράφει δύο σωματίδια που εισέρχονται και δύο σωματίδια που βγαίνουν. Τα τελευταία χρόνια, η Βέρνη και άλλοι θεωρητικοί εφάρμοσαν κβαντικά πλάτη τεσσάρων σημείων στην κίνηση κολοσσιαίων, κλασικών μαύρων οπών, ταιριάζοντας —και σε ορισμένες περιπτώσεις υπερβαίνοντας— την ακρίβεια ορισμένων κομματιών υπολογισμών κυματομορφής αιχμής.

«Είναι εκπληκτικό πόσο γρήγορα αυτοί οι άνθρωποι [έχουν προχωρήσει]», είπε η Alessandra Buonanno, διευθύντρια του Ινστιτούτου Max Planck για τη Βαρυτική Φυσική και βραβευμένη θεωρητικός που ειδικεύεται στην πρόβλεψη του σχήματος των βαρυτικών κυμάτων. "Πραγματικά το πιέζουν."

Όλα σε Ένα

Οι κλασικοί φυσικοί έχουν αποφύγει τα πλάτη για καλό λόγο. Είναι γεμάτες από άπειρα. Ακόμη και μια σύγκρουση που περιγράφεται από μια συνάρτηση τεσσάρων σημείων - δύο σωματίδια μέσα, δύο έξω - μπορεί να δημιουργήσει προσωρινά οποιονδήποτε αριθμό βραχύβιων σωματιδίων. Όσο περισσότερα από αυτά τα παροδικά σωματίδια εξετάζει ένας υπολογισμός, τόσο περισσότερους «βρόχους» λέγεται ότι έχει και τόσο πιο ακριβής είναι.

Γίνεται χειρότερο. Μια συνάρτηση τεσσάρων σημείων μπορεί να έχει άπειρο αριθμό πιθανών βρόχων. Αλλά όταν δύο μαύρες τρύπες ενώνονται, μια συνάρτηση τεσσάρων σημείων δεν είναι η μόνη δυνατότητα. Οι ερευνητές πρέπει επίσης να εξετάσουν τη συνάρτηση των πέντε σημείων (μια σύγκρουση που εκτοξεύει ένα σωματίδιο ακτινοβολίας), καθώς και τη συνάρτηση των έξι σημείων (μια σύγκρουση που παράγει δύο σωματίδια) και ούτω καθεξής. Ένα βαρυτικό κύμα μπορεί να θεωρηθεί ως μια συλλογή από έναν άπειρο αριθμό σωματιδίων «γκραβιτόν» και ένας ιδανικός υπολογισμός θα τα κάλυπτε όλα — με άπειρο αριθμό συναρτήσεων, καθεμία με άπειρο αριθμό βρόχων.

Σε αυτήν την κβαντική θημωνιά απεριόριστου πλάτους και βάθους, οι ερευνητές πλάτους πρέπει να εντοπίσουν τις κλασικές βελόνες που θα συνέβαλαν στο σχήμα του κύματος.

Μια ένδειξη εμφανίστηκε το 2017, όταν ο Walter Goldberger του Πανεπιστημίου Yale και ο Alexander Ridgway του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια μελέτησαν την κλασική ακτινοβολία που εκτοξεύτηκε από δύο αντικείμενα που συγκρούονται με ένα είδος ηλεκτρικού φορτίου. Πήραν έμπνευση από μια περίεργη σχέση μεταξύ της βαρύτητας και των άλλων δυνάμεων (γνωστή ως διπλό αντίγραφο) και τη χρησιμοποίησαν για να μετατρέψουν τα φορτισμένα αντικείμενα σε ανάλογα μαύρης τρύπας. Υπολόγισαν το σχήμα των κυμάτων που κύλησαν προς τα έξω και βρήκαν μια έκφραση που ήταν εκπληκτικά απλή και εντυπωσιακά κβαντική.

«Πρέπει να κλείσεις τα μάτια σου σε κάποιους όρους», είπε ο Donal O'Connell, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. "Αλλά μου φάνηκε ότι το πράγμα που υπολόγισαν ήταν ένα πλάτος πέντε σημείων."

Ενδιαφερόμενος, ο O'Connell και οι συνεργάτες του ερεύνησαν περαιτέρω. Χρησιμοποίησαν αρχικά ένα γενικό κβαντικό πλαίσιο για να υπολογίσουν απλές ιδιότητες μιας σύγκρουσης μεταξύ δύο μεγάλων κλασικών σωμάτων. Στη συνέχεια, τον Ιούλιο του 2021 επέκτεινε αυτήν την προσέγγιση για να υπολογίσουν ορισμένες ιδιότητες κλασικού κύματος, επιβεβαιώνοντας ότι το πλάτος των πέντε σημείων ήταν, στην πραγματικότητα, το κατάλληλο εργαλείο για την εργασία.

Οι ερευνητές είχαν πέσει πάνω σε ένα απροσδόκητο μοτίβο στη θημωνιά χόρτου. Έδειξε ότι δεν χρειάζονταν άπειρο πλήθος πλάτη για να μελετήσουν τα κλασικά κύματα. Αντίθετα, θα μπορούσαν να σταματήσουν στο πλάτος των πέντε σημείων — το οποίο περιλαμβάνει μόνο ένα μόνο σωματίδιο ακτινοβολίας.

«Αυτό το πλάτος των πέντε σημείων είναι πραγματικά το πράγμα», είπε ο O'Connell. "Κάθε βαριτόνιο ή κάθε φωτόνιο που συνθέτει το κύμα, δεν τον ενδιαφέρει το γεγονός ότι υπάρχει άλλο."

Περαιτέρω υπολογισμοί αποκάλυψαν γιατί το πλάτος των πέντε σημείων μας λέει όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για τον κλασικό κόσμο.

Τα κβαντικά αποτελέσματα έχουν δύο καθοριστικά χαρακτηριστικά. Τους έχει εμποτιστεί η αβεβαιότητα. Τα ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, εξαπλώνονται σε ένα ασαφές σύννεφο. Επιπλέον, οι εξισώσεις που τις περιγράφουν, όπως η εξίσωση του Schrödinger, διαθέτουν μια σταθερά της φύσης γνωστή ως σταθερά του Planck.

Τα κλασικά συστήματα, όπως ένα βαρυτικό κύμα που κυματίζει τη Γη, είναι απολύτως καθαρά και μπορούν να περιγραφούν με σταθερά ενός Planck στη θέα. Αυτές οι ιδιότητες έδωσαν στην ομάδα του O'Connell ένα τεστ λυχνίας για τον προσδιορισμό των τμημάτων των οποίων τα πλάτη ήταν κλασικά:Δεν πρέπει να έχουν αβεβαιότητα και δεν μπορεί να υπάρχει σταθερά Planck στην τελική περιγραφή. Η ομάδα διαπίστωσε ότι το απλούστερο πλάτος των πέντε σημείων είχε δύο «θραύσματα», ένα με τη σταθερά του Planck και ένα χωρίς. Το πρώτο κομμάτι ήταν ένα κβαντικό κομμάτι που μπορούσε να αγνοηθεί με ασφάλεια. Το δεύτερο ήταν η κλασική ακτινοβολία — το χρήσιμο μέρος για την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων.

Στη συνέχεια έστρεψαν την προσοχή τους στο πλάτος των έξι σημείων χωρίς βρόχο - την εκπομπή δύο σωματιδίων ακτινοβολίας. Αυτό το πλάτος δίνει την αβεβαιότητα του κύματος, επειδή το να έχεις δύο σωματίδια ακτινοβολίας είναι σαν να μετράς το πεδίο δύο φορές. Με την πρώτη ματιά το πλάτος ήταν δύσκολο να ερμηνευθεί, με τις σταθερές του Planck παντού.

Αλλά όταν υπολόγισαν το αποτέλεσμα λεπτομερώς, πολλοί από τους όρους με τη σταθερά του Planck ακυρώνονταν ο ένας τον άλλον. Στο τέλος, ο O'Connell και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι η αβεβαιότητα των έξι σημείων έπεσε επίσης σε ένα κλασικό κομμάτι και σε ένα κβαντικό. Η κλασική αβεβαιότητα αποδείχθηκε μηδενική, όπως πρέπει. Και το κβαντικό μέρος όχι. Με άλλα λόγια, το πλάτος των έξι σημείων δεν είχε καθόλου κλασικές πληροφορίες. Εκ των υστέρων, το αποτέλεσμα φαινόταν κάπως αναπόφευκτο. Αλλά προτού διερευνήσουν τα θραύσματα λεπτομερώς, οι ερευνητές περίμεναν αφελώς ότι το πλάτος των έξι σημείων θα μπορούσε να έχει ακόμα κάποιο λεπτό κλασσικό νόημα.

«Αυτό είναι καθαρό κβαντικό. Αυτό ήταν λίγο σοκαριστικό τουλάχιστον για μένα», είπε ο O'Connell.

Ο O'Connell είχε μελετήσει μια δύναμη που σχετίζεται με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Έτσι, για να ελέγξει αν το αποτέλεσμα ισχύει και για τη βαρύτητα, η Ruth Britto στο Trinity College του Δουβλίνου και άλλοι χρησιμοποίησαν διάφορες τεχνικές συντομεύσεις για να υπολογίσουν το πλάτος των έξι σημείων χωρίς βρόχο για δύο τεράστια σωματίδια. Διαπίστωσαν ότι και αυτό δεν έχει κλασικό περιεχόμενο.

«Είναι δύσκολο να το πιστέψεις μέχρι να κάνεις τους υπολογισμούς», είπε ο Riccardo Gonzo, επίσης στο Trinity College του Δουβλίνου, ο οποίος εργάστηκε και στα δύο αποτελέσματα.

Παρόμοια λογική οδηγεί τους ερευνητές να αναμένουν ότι σε υψηλότερους βρόχους, όλα τα πλάτη με περισσότερα από πέντε σημεία θα είναι είτε όλα κβαντικά, και επομένως αγνοούμενα, είτε εκφραστικά ως απλούστερη συνάρτηση γνωστών πλάτη. Μια ατελείωτη παρέλαση σχέσεων αβεβαιότητας το εγγυάται.

«Η προσδοκία είναι ότι η κβαντική θεωρία πεδίου περιγράφει την κλασική φυσική», είπε ο Roiban. "Αποδεικνύεται ότι με αυτόν τον τρόπο το κάνει, έχοντας μηδενική αβεβαιότητα σε ορισμένες πολιτείες."

Το αποτέλεσμα είναι ότι τα κλασικά κύματα είναι πιο εύκολο να περιγραφούν στη γλώσσα της κβαντικής μηχανικής από ό,τι φοβόντουσαν οι ερευνητές. «Ένα βαρυτικό κύμα, ή ένα κύμα οποιουδήποτε είδους, είναι κάτι μεγάλο και δισκέτα. Θα πρέπει να εξαρτάται από πολλά μικρά πράγματα», είπε ο Roiban. Αλλά «από τη στιγμή που γνωρίζετε τη σύγκρουση συν ένα φωτόνιο ή ένα βαριτόνιο στην τελική κατάσταση, τότε ξέρετε τα πάντα».

Σπειροειδής πορεία προς συγχωνεύσεις

Όταν το LIGO/Virgo πιάνει βαρυτικά κύματα, το σήμα είναι έως και 10% θόρυβο. Μελλοντικοί ανιχνευτές όπως ο διαστημικός LISA μπορεί να καταγράψουν κυματισμούς στο χωροχρόνο με πιστότητα 99% ή καλύτερη. Σε αυτό το επίπεδο ευκρίνειας, οι ερευνητές αναμένουν ότι τα βαρυτικά κύματα θα αποκαλύψουν πληθώρα πληροφοριών, όπως η ακαμψία της συγχώνευσης άστρων νετρονίων. Η πρόσφατη πρόοδος στην πρόβλεψη του σχήματος των κυμάτων χρησιμοποιώντας κβαντικά πλάτη δημιουργεί ελπίδες ότι οι ερευνητές θα μπορέσουν να ξεκλειδώσουν αυτές τις πληροφορίες.

«Αν αυτό αποδειχθεί ότι είναι πραγματικά έτσι», είπε ο Buonanno, «θα ήταν φανταστικό. Νομίζω ότι θα απλοποιήσει τον υπολογισμό στο τέλος, αλλά πρέπει να δούμε."

Προς το παρόν, ωστόσο, ο υπολογισμός πραγματικών, αστροφυσικών κυματομορφών από πλάτη παραμένει ένα φιλόδοξο έργο. Τα πλάτη τεσσάρων και πέντε σημείων καταγράφουν τι συμβαίνει όταν οι μαύρες τρύπες «σκορπίζονται» ή εκτοξεύονται η μία από την άλλη και η τεχνική μπορεί επί του παρόντος να επεκταθεί για να κατανοηθούν απλές συγχωνεύσεις όπου οι μαύρες τρύπες δεν περιστρέφονται. Αλλά στην παρούσα κατάστασή τους αυτά τα πλάτη αγωνίζονται να περιγράψουν πλήρως τις πιο περίπλοκες συγχωνεύσεις που ανιχνεύουν τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων. Οι ερευνητές Amplitude πιστεύουν ότι μπορούν να τροποποιήσουν τις μεθόδους τους για να υπολογίσουν ρεαλιστικές κυματομορφές για μια μεγάλη ποικιλία συγχωνεύσεων, αλλά δεν το έχουν κάνει ακόμη.

Πέρα από τα βαρυτικά κύματα, η γενική φύση της έρευνας υποδηλώνει ότι ο τρόπος με τον οποίο η αρχή της αβεβαιότητας οργανώνει την κβαντική θημωνιά θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμος σε άλλους τομείς της κβαντικής θεωρίας. Η άπειρη σειρά σχέσεων μεταξύ των πλατών θα μπορούσε να επιτρέψει ανεξάρτητους διασταυρούμενους ελέγχους, για παράδειγμα, παρέχοντας πολύτιμη καθοδήγηση για υπολογισμούς που μπορεί να διαρκέσουν μήνες. Και μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα απότομο τεστ για τη διάκριση των κβαντικών θεωριών που μπορούν να περιγράψουν τον μακροκοσμικό μας κόσμο από εκείνους που δεν μπορούν.

«Στο παρελθόν ήταν η διαίσθηση», είπε ο Roiban. «Τώρα είναι ένα ξεκάθαρο κριτήριο. Είναι ένας υπολογισμός και είναι δύσκολο να διαφωνήσεις με έναν υπολογισμό."