МІНЕАПОЛІС. Не намагайтеся провести квантовий експеримент поблизу чорної діри — проста її присутність руйнує всі квантові стани поблизу неї, кажуть дослідники.
Про це повідомили фізики 17 квітня на засіданні Американського фізичного товариства . Дослідники виявили, що будь-який квантовий експеримент, проведений поблизу чорної діри, може спричинити парадокс, у якому чорна діра розкриває інформацію про свою внутрішню частину — те, що фізики стверджують, що це заборонено. Парадокс повідомляє команда, якщо чорна діра просто руйнує будь-які квантові стани, які наближаються.
Це руйнування може мати наслідки для майбутніх теорій квантової гравітації. Ці затребувані теорії спрямовані на об’єднання квантової механіки, набору правил, що керують субатомними частинками, і загальної теорії відносності, яка описує, як маса рухається в космічних масштабах.
«Ідея полягає в тому, щоб використати властивості [теорій], які ви розумієте, як [є] квантова механіка та гравітація, щоб дослідити аспекти фундаментальної теорії, якою є квантова гравітація», — каже фізик-теоретик Гаутам Сатішчандран з Прінстонського університету.
Ось як Сатіщандран разом із фізиками-теоретиками Дейном Даніельсоном і Робертом Уолдом, обидва з Чиказького університету, зробили саме це.
Квантовий експеримент поблизу чорної діри створює парадокс
Спочатку команда уявила людину, яку назвали Алісою, яка проводить знаменитий експеримент із подвійною щілиною в лабораторії, що обертається навколо чорної діри. У цьому класичному прикладі квантової фізики вчений посилає частинку, як електрон або фотон, до пари щілин у твердому бар’єрі. Якщо ніхто не спостерігає за просуванням частинки, на екрані з іншого боку бар’єру з’являється характерна для хвиль інтерференційна картина, ніби частинка пройшла через обидві щілини одночасно. Але якщо хтось або якийсь пристрій вимірює шлях частинки, вона буде зареєстрована як пройшла через ту чи іншу щілину. Квантовий стан частинки, очевидно, перебуваючи в двох місцях одночасно, руйнується.
Тоді команда уявила собі іншу людину, Боба, яка сидить прямо всередині горизонту подій чорної діри — межі, за якою навіть світло не може вирватися з гравітації чорної діри. Незважаючи на те, що Боб приречений , він все ще може робити вимірювання. Закони фізики діють однаково як усередині горизонту, так і поза ним. «На горизонті ви навіть не помітите, що впали», — каже Сатішчандран.
Коли Боб спостерігає, через яку щілину пройшла частинка Аліси, квантовий стан частинки руйнується. Це також повідомило б Алісі, що Боб присутній і зіпсував її експеримент. Але це парадокс — ніщо, зроблене всередині чорної діри, не повинно впливати на зовнішню дію. За законами фізики Боб взагалі не повинен мати змоги спілкуватися з Алісою.
«Парадокс полягає в тому, що чорні діри — це вулиця з одностороннім рухом», — каже Сатішчандран. «Ніщо, зроблене всередині чорної діри, не може вплинути на мій експеримент, який я проводжу зовні. Але ми просто склали сценарій, в якому, безперечно, експеримент вплине».
Парадокс вирішується, якщо чорна діра діє як «спостерігач»
Потім команда здогадалася про можливе вирішення цього парадоксу: сама чорна діра змушує квантовий стан частинки Аліси колапсувати, незалежно від того, є там Боб чи ні. «Мабуть, існує ефект, який ніхто не розрахував у цих теоріях, який приходить на допомогу», — каже Даніельсон.
Порятунок прийшов у тому, що заряджені частинки випромінюють або випромінюють світло при струшуванні. Незалежно від того, наскільки ретельно Аліса встановлює свій експеримент, її частинка завжди буде випромінювати невелику кількість випромінювання, коли вона рухатиметься, як показали фізики. Це випромінювання матиме різне електромагнітне поле залежно від того, куди пішла частинка Аліси.
Коли випромінювання перетинає горизонт подій чорної діри, чорна діра реєструє цю різницю, ефективно спостерігаючи за вихідною частинкою, щоб зруйнувати її квантовий стан.
«Горизонт насправді «знає», куди пішла частинка», — говорить математично, — каже Сатішчандран. Аліса звинувачує чорну діру в зруйнуванні її експерименту, а не Боба, і парадокс вирішується.
Команда пішла далі цієї ідеї. Якщо частинка Аліси є гравітоном, частинкою гравітації, відбувається те саме, що й електрон. І якщо горизонт, про який йде мова, є не чорною дірою, а космічним горизонтом, що позначає край видимого Всесвіту, то частинка Аліси все одно зруйнується , повідомила команда на тому ж засіданні.
Теорії квантової гравітації повинні все це враховувати
За словами дослідників, кінцева мета цього експерименту полягає не в тому, щоб створити повну теорію квантової гравітації, а в тому, щоб накидати схему, в яку повинна вписуватися можлива майбутня теорія.
«Ми не займаємося створенням теорій квантової гравітації», — каже Сатішчандран. «Але ми хотіли б… надати контрольні показники, які, сподіваюся, розкажуть нам щось більш фундаментальне про те, як виглядають такі теорії».
Незрозуміло, як звідси дійти до повної теорії, погоджується фізик Алекс Лупсаска з Університету Вандербільта в Нашвіллі, який не брав участі в дослідженні. Але ідея про те, що чорні діри можуть діяти як квантові спостерігачі, цікава сама по собі.
«Я думаю, що це правдивий факт, який має бути частиною остаточної теорії квантової гравітації», — каже він. «Але чи це важлива підказка, яку ми збираємо на шляху до остаточної теорії квантової гравітації, чи це просто цікавий обхід на шляху до розкриття цієї теорії, невідомо».