Черните дупки се справят с парадоксите, разрушавайки квантовите състояния

Експериментът с двойния процеп близо до черна дупка няма да работи

Ваня Милева Последна промяна на 02 май 2023 в 00:01 19093 0

Черните дупки са най-известни с това, че изкривяват пространство-времето в околностите си, което води до красиви светлинни картини като показаната на тази илюстрация. Сега изглежда, че черните дупки изкривяват и квантовите състояния наоколо

Кредит Jeremy Schnittman/NASA’s Goddard Space Flight Center

Черните дупки са най-известни с това, че изкривяват пространство-времето в околностите си, което води до красиви светлинни картини като показаната на тази илюстрация. Сега изглежда, че черните дупки изкривяват и квантовите състояния наоколо.

Няма смисъл да се опитвате да правите квантов експеримент близо до черна дупка - самото й присъствие разрушава всички квантови състояния в близост до нея, смятат изследователи.

Откритието идва от мисловен експеримент, който противопоставя правилата на квантовата механика и черните дупки, съобщават физици на 17 април на среща на Американското физическо общество. Всеки квантов експеримент, направен близо до черна дупка, може да създаде парадокс, откриват изследователите, при който черната дупка разкрива информация за вътрешността си - нещо, което според физиката е забранено. Парадоксът може да се заобиколи, ако черната дупка просто разруши всички квантови състояния, които са близо до нея, съобщава екипът.

Това разрушаване може да има последици за бъдещите теории за квантовата гравитация. Тези търсени теории имат за цел да обединят квантовата механика, наборът от правила, управляващи субатомните частици, и Общата теория на относителността, която описва как се движи масата деформира пространството и времето.

"Идеята е да се използват свойствата на [теориите], които разбираме, а те са квантовата механика и гравитацията, за да се изследват аспектите на по-фундаментална теория", каквато е квантовата гравитация, обяснява физик-теоретикът Гаутам Сатишчандран (Gautam Satishchandran) от Принстънския университет.

Сатишчандран, заедно с физиците теоретици Дейн Даниелсън (Daine Danielson) и Робърт Уолд (Robert Wald), и двамата от Чикагския университет, търсят пътя към окончателната теория на квантовата гравитация.

Екстремната гравитация на черната дупка изкривява светлината, излъчвана от различни области на акреационния диск, създавайки деформиран вид. 360-градусово завъртане и пауза, когато изгледът е почти на ръба. Кредит: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

Квантовият експеримент в близост до черна дупка създава парадокс

И тук на помощ идват Алис и Боб - фиктивни персонажи, често използвани като участници във физични мисловни експерименти.

Първо екипът си представя Алис, която извършва известния експеримент с двойния процеп в лаборатория, обикаляща около черна дупка. В този класически пример на квантовата физика ученият изпраща частица, като електрон или фотон, към двойка процепи в твърда преграда. Ако никой не наблюдава движението на частицата, на екрана от другата страна на бариерата се появява интерференчна картина, характерна за вълните, сякаш частицата е преминала едновременно през двата процепа. Но ако някой или някакво устройство измери пътя на частицата, тя ще бъде регистрирана като преминала през единия или другия процеп. Квантовото състояние на частицата, която видимо се намира на две места едновременно, се разрушава (колапсира).

След това екипът си представя Боб, който седи точно в хоризонта на събитията на черна дупка - границата, отвъд която дори светлината не може да избегне гравитацията на черната дупка. Въпреки че Боб е обречен, той все още може да прави измервания. Законите на физиката се държат по същия начин както вътре в хоризонта, така и извън него. "На хоризонта дори няма да разберете, че сте попаднали вътре", отбелязва Сатишчандран.

Когато Боб наблюдава през кой процеп е преминала частицата на Алис, квантовото състояние на частицата ще се разруши. Това ще позволи и на Алис да разбере, че Боб е там, което ще обърка нейния експеримент. Но това е парадокс - нищо, направено вътре в черната дупка, не би трябвало да влияе навън. Според законите на физиката Боб изобщо не би трябвало да може да комуникира с Алис.

"Парадоксът е, че черните дупки са еднопосочна улица", обяснява Сатишчандран. "Нищо, направено във вътрешността на черната дупка, не може да повлияе на моя експеримент, който правя извън нея. Но ние току-що измислихме сценарий, в който определено експериментът ще бъде засегнат."

Парадоксът се решава, ако черната дупка действа като "наблюдател"

След това екипът се досеща за възможно решение на този парадокс: самата черна дупка принуждава квантовото състояние на частицата на Алис да колапсира, независимо дали Боб е там или не.

"Сигурно има ефект, който никой не е изчислил в тези теории и който идва на помощ", посочва Даниелсон.

Спасението идва от факта, че заредените частици излъчват светлина, когато преминават на по-ниско енергийно ниво.

Без значение колко внимателно Алис е подготвила експеримента си, нейната частица винаги ще излъчва малко количество радиация, докато я движи, показват физиците. Това излъчване ще има различно електромагнитно поле в зависимост от това накъде се е движила частицата на Алис.

Когато лъчението пресече хоризонта на събитията на черната дупка, тя ще регистрира тази разлика, като на практика ще наблюдава достатъчно първоначалната частица, за да разруши нейното квантово състояние.

"Хоризонтът всъщност "знае" накъде е тръгнала частицата", от математическа гледна точка, смята Сатишчандран.

Черната дупка е провалила експеримента на Алис, а не Боб, и парадоксът е разрешен.

Екипът прави още една стъпка напред. Ако частицата на Алис е гравитон, частица на гравитацията, се случва същото, както ако е електрон. И ако въпросният хоризонт не е черна дупка, а космическият хоризонт, обозначаващ границата на видимата вселена, тогава частицата на Алис все пак ще колапсира, докладва екипът на същата среща.

Теориите за квантовата гравитация трябва да вземат предвид всичко това

Крайната цел на този мисловен експеримент не е да се създаде цялостна теория на квантовата гравитация, а по-скоро да се очертае контур, в който трябва да се вмести една евентуална бъдеща теория, разказват изследователите.

"Ние не се занимаваме с изграждането на теории за квантовата гравитация", заявява Сатишчандран. "Но бихме искали ... да предоставим еталони, които, надяваме се, да ни кажат нещо по-фундаментално за това как изглеждат такива теории."

Не е ясно как да се стигне оттук до цялостна теория, но идеята, че черните дупки могат да действат като квантови наблюдатели, е интересна сама по себе си.

Но дали това е решаваща улика, която получаваме по пътя към окончателната теория на квантовата гравитация, или е просто интересен обход по пътя към разкриването на тази теория, е неизвестно.

Справка:

D.L. Danielson, G. Satishchandran and R.M. Wald. Black holes are watching you. American Physical Society meeting, Minneapolis, April 17, 2023.

G. Satishchandran, D.L. Danielson and R.M. Wald. Horizons are watching you. American Physical Society, Minneapolis, April 17, 2023.

Източник: Black holes resolve paradoxes by destroying quantum states, Science News

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !