Μαύρες τρύπες και κβαντικές καταστάσεις:Μια θεωρητική σύγκρουση - Έρευνα του Πρίνστον

Εισαγωγή

Στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο διάσημος θεωρητικός φυσικός John Wheeler μπορούσε να εντοπιστεί σε σεμινάρια ή αυτοσχέδιες συζητήσεις στο διάδρομο να σχεδιάζει ένα μεγάλο «U». Η αριστερή άκρη του γράμματος αντιπροσώπευε την αρχή του σύμπαντος, όπου όλα ήταν αβέβαια και όλες οι κβαντικές πιθανότητες συνέβαιναν ταυτόχρονα. Η δεξιά άκρη του γράμματος, μερικές φορές στολισμένη με ένα μάτι, απεικόνιζε έναν παρατηρητή που κοιτάζει πίσω στο χρόνο, φέρνοντας έτσι στην ύπαρξη την αριστερή πλευρά του U.

Σε αυτό το «συμμετοχικό σύμπαν», όπως το ονόμασε ο Wheeler, ο κόσμος επεκτάθηκε και ψύχθηκε γύρω από το U, σχηματίζοντας δομές και τελικά δημιουργώντας παρατηρητές, όπως οι άνθρωποι και οι συσκευές μέτρησης. Κοιτάζοντας πίσω στο πρώιμο σύμπαν, αυτοί οι παρατηρητές κατά κάποιο τρόπο το έκαναν πραγματικότητα.

«Θα έλεγε πράγματα όπως «Κανένα φαινόμενο δεν είναι αληθινό φαινόμενο μέχρι να είναι ένα παρατηρούμενο φαινόμενο», είπε ο Robert M. Wald, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που ήταν διδακτορικός φοιτητής του Wheeler εκείνη την εποχή.

Τώρα, μελετώντας πώς συμπεριφέρεται η κβαντική θεωρία στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας, ο Wald και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ένα νέο αποτέλεσμα που υποδηλώνει το συμμετοχικό σύμπαν του Wheeler. Η απλή παρουσία μιας μαύρης τρύπας, ανακάλυψαν, είναι αρκετή για να μετατρέψει τη θολή «υπέρθεση» ενός σωματιδίου - την κατάσταση της ύπαρξης σε πολλαπλές πιθανές καταστάσεις - σε μια καλά καθορισμένη πραγματικότητα. «Ανακαλεί την ιδέα ότι αυτοί οι ορίζοντες της μαύρης τρύπας παρακολουθούν», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Gautam Satishchandran, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πρίνστον.

«Αυτό που βρήκαμε μπορεί να είναι μια κβαντική μηχανική πραγματοποίηση [του συμμετοχικού σύμπαντος], αλλά όπου ο ίδιος ο χωροχρόνος παίζει το ρόλο του παρατηρητή», είπε η Daine Danielson, η τρίτη συγγραφέας, επίσης στο Σικάγο.

Οι θεωρητικοί συζητούν τώρα τι να διαβάσουν σε αυτές τις άγρυπνες μαύρες τρύπες. «Αυτό φαίνεται να μας λέει κάτι βαθύ για τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα επηρεάζει τη μέτρηση στην κβαντική μηχανική», δήλωσε ο Sam Gralla, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Αλλά το αν αυτό θα αποδειχθεί χρήσιμο για τους ερευνητές που κινούνται προς μια πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, εξακολουθεί να είναι εικασία.

Το φαινόμενο είναι ένα από τα πολλά που αποκαλύφθηκαν την τελευταία δεκαετία από φυσικούς που μελετούν τι συμβαίνει όταν η κβαντική θεωρία συνδυάζεται με τη βαρύτητα σε χαμηλές ενέργειες. Για παράδειγμα, οι θεωρητικοί είχαν μεγάλη επιτυχία σκεπτόμενοι την ακτινοβολία Hawking, η οποία αναγκάζει τις μαύρες τρύπες να εξατμίζονται αργά. «Οι λεπτές επιδράσεις που δεν είχαμε πραγματικά παρατηρήσει πριν μας δίνουν περιορισμούς από τους οποίους μπορούμε να αντλήσουμε στοιχεία για το πώς να ανεβούμε προς την κβαντική βαρύτητα», δήλωσε ο Alex Lupsasca, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt που δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα.

Αυτές οι παρατηρητικές μαύρες τρύπες φαίνεται να παράγουν ένα φαινόμενο που είναι "πολύ συναρπαστικό", είπε ο Lupsasca, "επειδή φαίνεται ότι είναι κατά κάποιον τρόπο βαθιά."

Μαύρες τρύπες και υπερθέσεις

Για να καταλάβετε πώς μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να παρατηρήσει το σύμπαν, ξεκινήστε από μικρά. Εξετάστε το κλασικό πείραμα διπλής σχισμής, στο οποίο τα κβαντικά σωματίδια εκτοξεύονται προς δύο σχισμές σε ένα φράγμα. Αυτά που περνούν στη συνέχεια ανιχνεύονται από μια οθόνη στην άλλη πλευρά.

Στην αρχή, κάθε σωματίδιο που ταξιδεύει φαίνεται να εμφανίζεται τυχαία στην οθόνη. Αλλά καθώς περισσότερα σωματίδια περνούν μέσα από τις σχισμές, εμφανίζεται ένα σχέδιο από ανοιχτόχρωμες και σκούρες λωρίδες. Αυτό το σχέδιο υποδηλώνει ότι κάθε σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν κύματα που περνούν και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Οι ζώνες προκύπτουν από τις κορυφές και τις κοιλότητες των κυμάτων είτε συναθροίζονται είτε ακυρώνουν η μία την άλλη — ένα φαινόμενο που ονομάζεται παρεμβολή.

Τώρα προσθέστε έναν ανιχνευτή για να μετρήσετε από ποια από τις δύο σχισμές περνά το σωματίδιο. Το σχέδιο των ανοιχτόχρωμων και σκούρων λωρίδων θα εξαφανιστεί. Η πράξη της παρατήρησης αλλάζει την κατάσταση του σωματιδίου - η κυματοειδής φύση του εξαφανίζεται εντελώς. Οι φυσικοί λένε ότι οι πληροφορίες που αποκτώνται από τη συσκευή ανίχνευσης «αποσύνουν» τις κβαντικές δυνατότητες σε μια οριστική πραγματικότητα.

Είναι σημαντικό ότι ο ανιχνευτής σας δεν χρειάζεται να βρίσκεται κοντά στις σχισμές για να καταλάβει ποια διαδρομή ακολούθησε το σωματίδιο. Ένα φορτισμένο σωματίδιο, για παράδειγμα, εκπέμπει ένα ηλεκτρικό πεδίο μεγάλης εμβέλειας που μπορεί να έχει ελαφρώς διαφορετική ισχύ ανάλογα με το αν πέρασε από τη δεξιά ή την αριστερή σχισμή. Η μέτρηση αυτού του πεδίου από μακριά θα σας επιτρέψει να συλλέξετε πληροφορίες σχετικά με τη διαδρομή που ακολούθησε το σωματίδιο και έτσι θα προκαλέσει αποσυνοχή.

Το 2021, ο Wald, ο Satishchandran και ο Danielson εξερευνούσαν ένα παράδοξο που προέκυψε όταν υποθετικοί παρατηρητές συλλέγουν πληροφορίες με αυτόν τον τρόπο. Φαντάστηκαν μια πειραματίστρια που ονομάζεται Αλίκη που δημιουργεί ένα σωματίδιο σε μια υπέρθεση. Σε μεταγενέστερο χρόνο, αναζητά ένα μοτίβο παρεμβολής. Το σωματίδιο θα παρουσιάσει παρεμβολές μόνο εάν δεν έχει μπλέξει πολύ με οποιοδήποτε εξωτερικό σύστημα ενώ η Αλίκη το παρατηρεί.

Στη συνέχεια ακολουθεί ο Μπομπ, ο οποίος προσπαθεί να μετρήσει τη θέση του σωματιδίου από μακριά μετρώντας τα πεδία μεγάλης εμβέλειας του σωματιδίου. Σύμφωνα με τους κανόνες της αιτιότητας, ο Μπομπ δεν θα πρέπει να μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα του πειράματος της Αλίκης, καθώς το πείραμα θα πρέπει να έχει τελειώσει μέχρι να φτάσουν τα σήματα από τον Μπομπ στην Αλίκη. Ωστόσο, σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, εάν ο Μπομπ μετρήσει επιτυχώς το σωματίδιο, θα μπλεχτεί μαζί του και η Αλίκη δεν θα δει ένα μοτίβο παρεμβολής.

Το τρίο υπολόγισε αυστηρά ότι η ποσότητα της αποσυνοχής που οφείλεται στις ενέργειες του Μπομπ είναι πάντα μικρότερη από την αποσυνοχή που θα προκαλούσε φυσικά η Αλίκη από την ακτινοβολία που εκπέμπει (η οποία επίσης μπλέκεται με το σωματίδιο). Έτσι ο Μπομπ δεν θα μπορούσε ποτέ να αποσυνδεθεί το πείραμα της Αλίκης γιατί θα το είχε ήδη αποσυνδεθεί η ίδια. Αν και μια παλαιότερη εκδοχή αυτού του παραδόξου επιλύθηκε το 2018 με έναν υπολογισμό στο πίσω μέρος του φακέλου από τον Wald και μια διαφορετική ομάδα ερευνητών, ο Danielson το πήγε ένα βήμα παραπέρα.

Έβαλε ένα πείραμα σκέψης στους συνεργάτες του:«Γιατί δεν μπορώ να βάλω τον ανιχνευτή [του Μπομπ] πίσω από μια μαύρη τρύπα;» Σε μια τέτοια ρύθμιση, ένα σωματίδιο σε μια υπέρθεση έξω από τον ορίζοντα γεγονότων θα εκπέμψει πεδία που διασχίζουν τον ορίζοντα και θα εντοπιστούν από τον Bob στην άλλη πλευρά, μέσα στη μαύρη τρύπα. Ο ανιχνευτής λαμβάνει πληροφορίες για το σωματίδιο, αλλά καθώς ο ορίζοντας γεγονότων είναι ένα «εισιτήριο μονής κατεύθυνσης», καμία πληροφορία δεν μπορεί να διασταυρωθεί, είπε ο Danielson. "Ο Μπομπ δεν μπορεί να επηρεάσει την Αλίκη από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, επομένως η ίδια αποσυνοχή πρέπει να συμβεί και χωρίς τον Μπομπ", έγραψε η ομάδα σε ένα email στο Quanta . Η ίδια η μαύρη τρύπα πρέπει να αποσυντονίσει την υπέρθεση.

«Στην πιο ποιητική γλώσσα του συμμετοχικού σύμπαντος, είναι σαν ο ορίζοντας να παρακολουθεί τις υπερθέσεις», είπε ο Danielson.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη γνώση, ξεκίνησαν να δουλέψουν σε έναν ακριβή υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο οι κβαντικές υπερθέσεις επηρεάζονται από τον χωροχρόνο της μαύρης τρύπας. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org τον Ιανουάριο, κατέληξαν σε έναν απλό τύπο που περιγράφει τον ρυθμό με τον οποίο η ακτινοβολία διασχίζει τον ορίζοντα γεγονότων και έτσι προκαλεί την εμφάνιση αποσυνοχής. "Το ότι υπήρχε ένα αποτέλεσμα ήταν, για μένα, πολύ περίεργο", είπε ο Wald.

Μαλλιά στον ορίζοντα

Η ιδέα ότι οι ορίζοντες γεγονότων συγκεντρώνουν πληροφορίες και προκαλούν αποσυνοχή δεν είναι καινούργια. Το 2016, ο Stephen Hawking, ο Malcolm Perry και ο Andrew Strominger περιέγραψαν πώς τα σωματίδια που διασχίζουν τον ορίζοντα γεγονότων θα μπορούσαν να συνοδεύονται από ακτινοβολία πολύ χαμηλής ενέργειας που καταγράφει πληροφορίες σχετικά με αυτά τα σωματίδια. Αυτή η εικόνα προτάθηκε ως λύση στο παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας, μια βαθιά συνέπεια της προηγούμενης ανακάλυψης του Χόκινγκ ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία.

Το πρόβλημα ήταν ότι η ακτινοβολία Hawking αποστραγγίζει ενέργεια από τις μαύρες τρύπες, προκαλώντας την πλήρη εξάτμισή τους με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η διαδικασία φαίνεται να καταστρέφει κάθε πληροφορία που έχει πέσει στη μαύρη τρύπα. Ωστόσο, με αυτόν τον τρόπο, θα έρχεται σε αντίθεση με ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής:ότι οι πληροφορίες στο σύμπαν δεν μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν.

Η χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία που προτείνεται από το τρίο θα το ξεπεράσει επιτρέποντας σε ορισμένες πληροφορίες να διανεμηθούν σε ένα φωτοστέφανο γύρω από τη μαύρη τρύπα και να διαφύγουν. Οι ερευνητές ονόμασαν το πλούσιο σε πληροφορίες φωτοστέφανο «μαλακά μαλλιά».

Ο Wald, ο Satishchandran και ο Danielson δεν ερευνούσαν το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας. Αλλά η δουλειά τους χρησιμοποιεί απαλά μαλλιά. Συγκεκριμένα, έδειξαν ότι τα μαλακά μαλλιά δημιουργούνται όχι μόνο όταν τα σωματίδια πέφτουν στον ορίζοντα, αλλά όταν τα σωματίδια έξω από μια μαύρη τρύπα απλώς μετακινούνται σε διαφορετική τοποθεσία. Οποιαδήποτε κβαντική υπέρθεση έξω θα μπλέξει με απαλά μαλλιά στον ορίζοντα, προκαλώντας το φαινόμενο αποσυνοχής που εντόπισαν. Με αυτόν τον τρόπο η υπέρθεση καταγράφεται ως ένα είδος «μνήμης» στον ορίζοντα.

Ο υπολογισμός είναι μια «συγκεκριμένη συνειδητοποίηση των μαλακών μαλλιών», δήλωσε ο Daniel Carney, θεωρητικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley. "Είναι ένα ωραίο χαρτί. Θα μπορούσε να είναι μια πολύ χρήσιμη κατασκευή για να προσπαθήσετε να κάνετε αυτή την ιδέα να λειτουργήσει λεπτομερώς."

Αλλά για τον Carney και αρκετούς άλλους θεωρητικούς που εργάζονται στην πρώτη γραμμή της έρευνας για την κβαντική βαρύτητα, αυτό το φαινόμενο αποσυνοχής δεν είναι και τόσο εκπληκτικό. Η μεγάλης εμβέλειας φύση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και της βαρύτητας σημαίνει ότι «είναι δύσκολο να κρατήσεις οτιδήποτε απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν», δήλωσε ο Daniel Harlow, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Ολική αποσυνοχή

Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι υπάρχει κάτι το μοναδικά «ύπουλο» σε αυτό το είδος αποσυνοχής. Συνήθως, οι φυσικοί μπορούν να ελέγξουν την αποσυνοχή θωρακίζοντας το πείραμά τους από το εξωτερικό περιβάλλον. Ένα κενό, για παράδειγμα, αφαιρεί την επίδραση των κοντινών μορίων αερίου. Αλλά τίποτα δεν μπορεί να θωρακίσει τη βαρύτητα, επομένως δεν υπάρχει τρόπος να απομονωθεί ένα πείραμα από την επίδραση της βαρύτητας μεγάλης εμβέλειας. «Τελικά, κάθε υπέρθεση θα αποσυνδεθεί πλήρως», είπε ο Satishchandran. "Δεν υπάρχει τρόπος να το ξεπεράσετε."

Ως εκ τούτου, οι συγγραφείς θεωρούν ότι οι ορίζοντες της μαύρης τρύπας παίζουν πιο ενεργό ρόλο στην αποσυνοχή από ό,τι ήταν γνωστό προηγουμένως. «Η ίδια η γεωμετρία του σύμπαντος, σε αντίθεση με την ύλη μέσα σε αυτό, είναι υπεύθυνη για την αποσυνοχή», έγραψαν σε ένα email στο Quanta .

Ο Carney αμφισβητεί αυτήν την ερμηνεία, λέγοντας ότι το νέο φαινόμενο αποσυνοχής μπορεί επίσης να γίνει κατανοητό ως συνέπεια ηλεκτρομαγνητικών ή βαρυτικών πεδίων, σε συνδυασμό με κανόνες που ορίζονται από την αιτιότητα. Και σε αντίθεση με την ακτινοβολία Hawking, όπου ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, σε αυτήν την περίπτωση ο ορίζοντας «δεν έχει καμία απολύτως δυναμική», είπε ο Carney. "Ο ορίζοντας δεν κάνει τίποτα, από μόνος του· δεν θα χρησιμοποιούσα αυτή τη γλώσσα."

Για να μην παραβιάζεται η αιτιότητα, οι υπερθέσεις έξω από τη μαύρη τρύπα πρέπει να αποσυνδεθούν με τον μέγιστο δυνατό ρυθμό που ένας υποθετικός παρατηρητής μέσα στη μαύρη τρύπα θα μπορούσε να συλλέγει πληροφορίες για αυτές. «Φαίνεται να δείχνει προς κάποια νέα αρχή σχετικά με τη βαρύτητα, τη μέτρηση και την κβαντική μηχανική», είπε ο Gralla. "Δεν περιμένετε να συμβεί αυτό περισσότερο από 100 χρόνια μετά τη διατύπωση της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής."

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Παραδόξως, αυτό το είδος αποσυνοχής θα συμβεί οπουδήποτε υπάρχει ένας ορίζοντας που επιτρέπει στις πληροφορίες να ταξιδεύουν μόνο προς μία κατεύθυνση, δημιουργώντας τη δυνατότητα για παράδοξα αιτιότητας. Η άκρη του γνωστού σύμπαντος, που ονομάζεται κοσμολογικός ορίζοντας, είναι ένα άλλο παράδειγμα. Ή σκεφτείτε τον «ορίζοντα Rindler», ο οποίος σχηματίζεται πίσω από έναν παρατηρητή που συνεχώς επιταχύνει και πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, έτσι ώστε οι ακτίνες φωτός να μην μπορούν πλέον να τις φτάσουν. Όλοι αυτοί οι «Ορίζοντες δολοφονίας» (που πήραν το όνομά τους από τον Γερμανό μαθηματικό Βίλχελμ Κίλινγκ του τέλους του 19ου και των αρχών του 20ου αιώνα) προκαλούν την αποσυνοχή των κβαντικών υπερθέσεων. "Αυτοί οι ορίζοντες σας παρακολουθούν πραγματικά με τον ίδιο τρόπο", είπε ο Satishchandran.

Το τι ακριβώς σημαίνει για την άκρη του γνωστού σύμπαντος να παρακολουθεί τα πάντα μέσα στο σύμπαν δεν είναι απολύτως σαφές. «Δεν καταλαβαίνουμε τον κοσμολογικό ορίζοντα», είπε ο Lupsasca. "Είναι εξαιρετικά συναρπαστικό, αλλά πολύ πιο δύσκολο από τις μαύρες τρύπες."

Σε κάθε περίπτωση, θέτοντας πειράματα σκέψης όπως αυτό, όπου η βαρύτητα και η κβαντική θεωρία συγκρούονται, οι φυσικοί ελπίζουν να μάθουν για τη συμπεριφορά μιας ενοποιημένης θεωρίας. «Αυτό είναι πιθανό να μας δώσει κάποιες περισσότερες ενδείξεις για την κβαντική βαρύτητα», είπε ο Wald. Για παράδειγμα, το νέο αποτέλεσμα μπορεί να βοηθήσει τους θεωρητικούς να κατανοήσουν πώς η εμπλοκή σχετίζεται με τον χωροχρόνο.

«Αυτά τα φαινόμενα πρέπει να είναι μέρος της τελικής ιστορίας της κβαντικής βαρύτητας», είπε ο Lupsasca. "Τώρα, θα αποτελέσουν μια κρίσιμη ένδειξη στην πορεία προς τη συλλογή πληροφοριών για αυτήν τη θεωρία; Αξίζει να το διερευνήσετε."

Το Συμμετοχικό Σύμπαν

Καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να μαθαίνουν για την αποσυνοχή σε όλες τις μορφές της, η έννοια του Wheeler για το συμμετοχικό σύμπαν γίνεται πιο ξεκάθαρη, είπε ο Danielson. Όλα τα σωματίδια στο σύμπαν, φαίνεται, βρίσκονται σε μια λεπτή υπέρθεση μέχρι να παρατηρηθούν. Η οριστικότητα προκύπτει μέσα από τις αλληλεπιδράσεις. «Αυτό, νομίζω, είχε στο μυαλό του ο Wheeler», είπε ο Danielson.

Και η διαπίστωση ότι οι μαύρες τρύπες και άλλοι ορίζοντες φονικών παρατηρούν τα πάντα, όλη την ώρα, «είτε το θέλετε είτε όχι», είναι «πιο υποβλητικό» του συμμετοχικού σύμπαντος από τα άλλα είδη αποσυνοχής, είπαν οι συγγραφείς.

Δεν είναι όλοι έτοιμοι να αγοράσουν τη φιλοσοφία του Wheeler σε μεγάλη κλίμακα. "Η ιδέα ότι το σύμπαν παρατηρεί τον εαυτό του; Αυτό ακούγεται λίγο Jedi για μένα", είπε ο Lupsasca, ο οποίος ωστόσο συμφωνεί ότι "τα πάντα παρατηρούνται συνεχώς μέσω αλληλεπιδράσεων."

«Ποιητικά, θα μπορούσες να το σκεφτείς έτσι», είπε ο Carney. "Προσωπικά, θα έλεγα απλώς ότι η παρουσία του ορίζοντα σημαίνει ότι τα χωράφια που ζουν γύρω του θα κολλήσουν στον ορίζοντα με έναν πραγματικά ενδιαφέροντα τρόπο."

Όταν ο Wheeler σχεδίασε για πρώτη φορά το "big U" όταν ο Wald ήταν φοιτητής στη δεκαετία του 1970, ο Wald δεν το σκέφτηκε πολύ. «Η ιδέα του Wheeler μου φάνηκε ότι δεν ήταν τόσο σταθερή», είπε.

Και τώρα; «Πολλά από τα πράγματα που έκανε ήταν ενθουσιασμός και μερικές ασαφείς ιδέες που αργότερα αποδείχτηκαν πραγματικά στο σημάδι», είπε ο Wald, σημειώνοντας ότι ο Wheeler περίμενε την ακτινοβολία Hawking πολύ πριν υπολογιστεί το αποτέλεσμα.

"Έβλεπε τον εαυτό του να κρατά ένα φως λάμπας για να φωτίσει πιθανά μονοπάτια για να ακολουθήσουν άλλοι άνθρωποι."