0. Wstęp.
Co kryje czarna dziura? A kto wie? Powstało wiele publikacji na ten temat. Jedni mówią, że osobliwość, która jest nieskończenie gęsta i nieskończenie mała. Inni, że osobliwość jest skończona, jeszcze inni są skończeni i nawet o tym nie wiedzą. Skończeni w sensie 'już po nich'. A czarne dziury? Pewnie będą chować swoje tajemnice do końca czasów. Jest takie powiedzenie, że Natura pilnie strzeże swoich sekretów. Kwantowa zagadka - dlaczego elektron może przechodzić, w doświadczeniu Younga, przez dwie szczeliny jednocześnie, będąc jedną cząstką, na dodatek tworzy na detektorze obraz interferencyjny, czyli falowy? Dlaczego, kiedy próbujemy zobaczyć, jak sam ze sobą wchodzi w interferencję i zobaczyć obraz jednego elektronu, przechodzącego przez dwie szczeliny jednocześnie, ten natychmiast zmienia się w jedną cząstkę i obraz interferencyjny znika?
Czy znajdziemy kiedyś choć jedną odpowiedź na te zagadki? Cóż, innym razem ktoś powiedział, może ja, w temacie o świetle, że Natura robi coś przed nami w sekrecie. Światło nie jest ani falą, ani cząstką, a przejawia jedynie takie właściwości. Pewnie w naszej Króliczej Norze albo w Jaskini Platońskiej, gdzie widzimy tylko cienie prawdy, już na zawsze pozostaniemy Kajdaniarzami, którzy nie widzą w pełni swojej Rzeczywistości... A może nie?
Uchylę rąbka tajemnicy. Nie mam dla Was teorii wszystkiego, ale znam pewien wycinek rzeczywistości, który udało się odgadnąć. Dziś opowiem Wam o tym, jak czarne dziury spowodują, że znikaną stany kwantowe. Na zawsze, ale na końcu czasów.
1. Czarne dziury ostatecznie zniszczą wszelkie stany kwantowe...
Tak spekulują uczeni. Nowe obliczenia wskazują, że horyzonty zdarzeń czarnych dziur spowodują dekoherencję wszelkich kwantowych prawdopodobieństw. Czy aby na pewno? Posłuchajcie sami.
W uczelni Princeton, we wczesnych latach 70 ubiegłego wieku, wielki fizyk teoretyczny, John Wheeler, narysował spore 'U' na ścianie korytarza. Lewe ramię litery oznaczało początek Wszechświata, kiedy wszystko było niepewne i wszystkie kwantowe możliwości działy się w jednym czasie. Prawe ramię litery, czasem dodatkowo ozdabiane wizerunkiem oka, przedstawiało obserwatora patrzącego wstecz w czasie, który dzięki temu mógł spowodować, że lewe ramię w ogóle zaistniało.
W tym 'partycypacyjnym Wszechświecie', jak nazwał go Wheeler, Kosmos rozwijał się wokół 'U', formując struktury i w rezultacie kreując obserwatorów, jak ludzie i urządzenia pomiarowe. Poprzez patrzenie wstecz w czasie, obserwatorzy w jakiś sposób sprawiali, że początek Wszechświata stawał się realny.
Wheeler mawiał: 'Żadne zjawisko nie jest zjawiskiem, dopóki nie zostanie zaobserwowane'. Tak wspominają go jego studenci, jak np. Robert M. Wald z uniwersytetu w Chicago.
Teraz, poprzez badanie w jaki sposób teoria kwantów zachowuje się przy horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, Wald i jego współpracownicy obliczyli nowy efekt, który może potwierdzić Wszechświat partycypacyjny Wheelera. Obecność czarnych dziur może sama w sobie być argumentem do powstrzymania cząstek przed zachowywaniem superpozycji (istnienie w wielu możliwościach stanów). I spowodować, że niejako zapadną się się do zwykłej rzeczywistości, ściśle określonej. 'Okazuje się, że czarne dziury patrzą' - mówi Gautam Satishchandran, fizyk teoretyczny z Princeton.
'Odkryliśmy, że czasoprzestrzeń sama w sobie może pełnić rolę obserwatora. Wszechświat partycypacyjny został być może odkryty w formie kwantowomechanicznej.' - mówi Daine Danielson, trzeci autor pracy badawczej.
Teoretycy debatują, co myśleć o tych obserwujących czarnych dziurach. 'To może wskazywać, że istnieje coś głębokiego, a nieznanego, o teorii grawitacji, co wpływa na pomiar w mechanice kwantowej.' - mówi Sam Gralla, fizyk teoretyk z uniwersytetu w Arizonie. Ale czy owe spekulacje okażą się użyteczne dla naukowców, którzy drążą teorię kwantowej grawitacji? Tego jeszcze nie wie nikt.
2. Mam wrażenie, że ktoś mnie obserwuje... A, to tylko czarna dziura.
Efekt pojawia się w przypadku, gdy mówimy o kwantowej teorii w połączeniu z grawitacją, przy niskich energiach. Na przykład, teoretycy odnieśli wielki sukces w badaniu promieniowania Hawkinga, które powoduje, że czarne dziury powoli parują. 'Istnieją bardzo subtelne efekty, których wcześniej nie rozpoznawaliśmy, a prowadzą nas one w kierunku kwantowej grawitacji' - redaguje Alex Lupsasca, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Vanderbilt, który nie jest zaangażowany w badanie.
'Te obserwujące czarne dziury wywołują efekt bardzo głęboki i uderzający.' - mówi Lupsasca.
Aby zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury mogą obserwować Wszechświat, zacznijmy od czegoś małego. Rozważmy eksperyment z dwiema szczelinami, w którym cząstki kwantowe są wystrzeliwane w kierunku dwóch szczelin w barierze. Te, które przejdą przez szczeliny, są potem wykrywane na ekranie po drugiej stronie bariery.
Na początku, każda podróżująca cząstka wydaje się pojawiać losowo na ekranie. Ale kiedy pojawia się na nim ich więcej, ukazuje się wzór czarnych i białych pasów. Wzór ten sugeruje, że każda cząsteczka zachowuje się jak fala, która przechodzi przez obie szczeliny równocześnie. Paski powstają jako szczyty i rowy fal, które dodają się lub anulują - zjawisko zwane interferencją.
Teraz dodajmy detektor, który mierzy, przez która szczelinę przeszła cząstka. Wzór ciemnych i jasnych pasów nagle znika. Akt obserwacji zmienia stan cząstki - jej falowa natura znika całkowicie. Fizycy mówią, że informacja zyskana poprzez detekcję przyrządu powoduje 'dekoherencję' prawdopodobieństw kwantowych w jedną, zdefiniowaną rzeczywistość.
Co ważne, twój detektor nie musi znajdować się blisko szczelin, aby podpatrzeć, którą drogę obrała cząstka. Naładowana cząstka, na przykład, emituje pole elektryczne o dalekim zasięgu, które ma różne natężenie w zależności od tego, czy przeszła przez lewą, czy prawą szczelinę. Mierzenie tego pola z dalekiej odległości pozwala w dalszym ciągu uzyskać informację, którą szczelina przeszła cząstka i tym samym powodować dekoherencję.
W 2021 roku, Wald, Satishchandran i Danielson badali paradoks o hipotetycznym obserwatorze, który zbiera informacje w wyżej opisany sposób. Wyobrazili sobie eksperymentatora o imieniu Alicja, która tworzy cząstkę w superpozycji. Później, patrzy ona na wzór interferencyjny. Cząstka wykaże interferencję tylko wtedy, gdy nie będzie w zbyt dużym stopniu związana z zewnętrznym systemem, podczas gdy Alicja obserwuje ją.
Wtedy nadchodzi Bob, który próbuje zmierzyć pozycje cząstki z dalekiej odległości poprzez badanie daleko-zasięgowych pól cząstki. Według reguł przyczynowości, Bob nie powinien mieć wpływu na wynik eksperymentu Alicji. A to ze względu na to, że eksperyment powinien dobiec końca zanim sygnały od Boba dotrą do Alicji. Jednakże, z powodu zasad mechaniki kwantowej, jeśli Bob zdoła zmierzyć cząstkę, stanie się ona z nim splątana i Alicja nie zobaczy wzoru interferencyjnego.
Trójka naukowców rygorystycznie obliczała ilość dekoherencji powodowanej działaniem Boba. Jego działanie powoduje mniej dekoherencji, niż wytwarza Alicja poprzez swoje promieniowanie (np. cieplne). Ono także zostaje splatane z cząstką. Dlatego Bob nie mógłby nigdy spowodować dekoherencji eksperymentu Alicji, ponieważ ona sama już została poddana dekoherencji. Pomimo wcześniejszej wersji tego paradoksu, która została rozwiązana w 2018 roku przez Walda i inną grupę badaczy, Danielson przeprowadził ją krok dalej.
Przedstawił swoim współpracownikom eksperyment myślowy:' Dlaczego nie umieścić detektora Boba w czarnej dziurze?' W takim układzie, cząstka w superpozycji poza horyzontem zdarzeń będzie emitować pole. Będzie ono przechodziło przez horyzont i zostanie odebrane przez Boba po drugiej stronie, wewnątrz czarnej dziury. Detektor uzyskuje informację o cząstce, ale dlatego, że horyzont zdarzeń to podróż w jedną stronę, żadna informacja nie może stamtąd wrócić - powiedział Danielson. 'Bob nie może wpłynąć na Alicję z wnętrza czarnej dziury, więc taka sama dekoherencja musi zajść bez Boba'. Czarna dziura musi dokonać dekoherencji na superpozycji.
'W bardziej poetyckim języku Wszechświata partycypacyjnego, jest to identyczna sytuacja, jak gdyby horyzont czarnej dziury obserwował superpozycję'. - mówi Danielson.
3. Promienne Niewidoczne Słońca, czyli czarne dziury.
Używając tego sposobu myślenia, próbowano obliczyć jak czasoprzestrzeń czarnej dziury wpływa na kwantową superpozycję. W styczniu opisano proste równanie, w którym opisano częstość, z jaką promieniowanie przechodzi przez horyzont zdarzeń i sprawia, że zachodzi dekohenerencja.
Pomysł, że horyzonty zdarzeń zbierają informacje i powodują dekoherencję, nie jest nowy. W 2016 roku Stephen Hawking, Malcolm Perry i Andrew Strominger opisali, jak cząstki przechodzące przez horyzont zdarzeń mogą mieć za partnera promieniowanie o niskiej energii, które zbiera informacje o tych cząstkach. To badanie to proponowane rozwiązanie paradoksu informacyjnego czarnej dziury. A tym samym, konsekwencji wcześniejszego odkrycia Hawkinga, że czarne dziury emitują promieniowanie.
Problem polegał na tym, że promieniowanie Hawkinga wysysa energię z czarnej dziury. W ten sposób mogą one całkowicie wyparować, po określonym czasie. Ten proces wydawał się niszczyć wszelką informację, która wpadła do czarnej dziury. Ale przez to, wkradłoby się naruszenie zasady kwantowomechanicznej: żadna informacja we Wszechświecie nie może zostać stworzona lub zniszczona.
Promieniowanie o niskiej energii, zaproponowane przez trio, dokonuje obejścia tego prawa, pozwalając jakiejś części informacji zostać rozproszonej w pierścieniu wokół czarnej dziury i uciec. Badacze nazwali ten pierścień zawierający informację 'miękkimi włosami'.
Wydaje się, że mamy nowy ślad wskazujący na zasady dotyczące grawitacji, pomiaru i mechaniki kwantowej.
Wald, Satishchandran i Danielson nie badali paradoksu informacyjnego czarnej dziury. Ale ich praca korzysta z teorii miękkich włosów. W szczególności, pokazali, że miękkie włosy są wytworzone nie tylko wtedy, kiedy cząstki wpadają za horyzont zdarzeń. Dzieje się to także wtedy, kiedy cząstki poza czarną dziurą w jakikolwiek sposób poruszają się do innej lokalizacji. Każda kwantowa superpozycja poza horyzontem zostanie spleciona z miękkimi włosami granicy czarnej dziury, dając początek zjawisku dekoherencji. W ten sposób, superpozycja jest zapisana jako swego rodzaju pamięć na horyzoncie zdarzeń.
Obliczenia są 'realnym sposobem na wykazanie istnienia miękkich włosów', mówi Daniel Carney, fizyk teoretyczny z Berkeley.
Dla Carneya i innych teoretyków, pracujących nad kwantową grawitacją, ta dekoherencja nie jest niczym dziwnym. Grawitacja i elektromagnetyzm mają daleki zasięg. Oznacza to, że trudno jest być wyizolowanym od reszty Wszechświata, mówi Daniel Harlow z MIT.
4. Dekoherencja ostateczna.
Autorzy twierdzą, że że jest coś wyjątkowo 'podstępnego' w takiego rodzaju dekoherencji. Zwykle, fizycy kontrolują ją poprzez osłonięcie eksperymentu od zewnętrznego środowiska. Próżnia, na przykład, usuwa wpływ nieodległych molekuł gazu. Ale nic nie może osłonić przed grawitacją i jej działaniu na odległość. 'Ostatecznie, każda superpozycja będzie poddana dekoherencji', mówi Satishchandran.'Nie da się tego obejść'.
Autorzy uważają, że horyzonty zdarzeń czarnych dziur biorą bardziej aktywny udział w dekoherencji niż pierwotnie uważano. 'Sama geometria Wszechświata, w przeciwieństwie do materii w niej zawartej, jest odpowiedzialna za dekoherencję'.
Carney sprzecza się z ta interpretacją, i mówi, że ten nowy efekt dekoherencji może być także rozumiany jako konsekwencja działania pół elektromagnetycznych i grawitacyjnych. W oparciu, także, o reguły przyczynowości. I w odróżnieniu od promieniowania Hawkinga, gdzie horyzont zdarzeń zmienia się z czasem, 'horyzont zdarzeń nie ma żadnej dynamiki' - mówi Carney. 'Horyzont zdarzeń nie dokonuje żadnego działania, nie robi nic'.
Aby nie naruszać przyczynowości, superpozycje poza czarną dziurą muszą zostać poddane dekoherencji z maksymalną możliwą częstotliwością. Z taką, z jaką hipotetyczny obserwator wewnątrz czarnej dziury zbierałby informacje o nich. 'To wydaje się nową zasadą grawitacji, pomiaru i mechaniki kwantowej', mówi Grallla. 'Nie można było oczekiwać więcej do odkrycia w temacie grawitacji i mechaniki kwantowej, w sto lat po ich sformułowaniu'.
Tego rodzaju dekoherencja może wystąpić wszędzie, gdzie znajduje się horyzont zdarzeń, który pozwala informacji przepływać tylko w jedną stronę. I, w ten sposób, tworzyć potencjalne paradoksy przyczynowo skutkowe. Krawędź obserwowalnego Wszechświata, znany jako horyzont kosmologiczny, jest kolejnym przykładem. Można także rozważyć 'horyzont Rindlera'. Jest to horyzont zdarzeń, który formuje się za przyspieszającym obserwatorem, który ciągle przyspiesza, do prędkości światła. W ten sposób promienie świetlne nie mogą go dogonić. Wszystkie te 'horyzonty Killinga' (nazwane na cześć niemieckiego matematyka z przełomu wieków 19 i 20, Wilhelma Killinga) powodują dekoherencję superpozycji. 'Te horyzonty obserwują cię zupełnie w taki sam sposób' - mówi Satishchandrian.
Co to oznacza? Że patrząc znad krawędzi znanego Wszechświata widzimy wszystko wewnątrz niego nie całkiem dokładnie. 'Nie rozumiemy horyzontu kosmologicznego' - mówi Lupsasca. 'Jest on bardziej fascynujący niż czarne dziury'.
W każdym razie, w eksperymentach takich, jak ten, gdzie koliduje grawitacja i mechanika kwantowa, naukowcy próbują stworzyć zunifikowane teorie i zobaczyć, jak one się zachowują. 'To pomaga nam zrozumieć potencjalną teorię kwantowej grawitacji'. - mówi Wald. Na przykład, nowy efekt może pomóc zrozumieć teoretykom, jak związane są splątanie kwantowe i czasoprzestrzeń.
'Te efekty muszą być częścią ostatecznej teorii kwantowej grawitacji'. - mówi Lupasca. 'Czy będą one kluczowe w drodze do zrozumienia tej teorii? To warte sprawdzenia'.
5. Partycypacyjny Wszechświat a splątanie splątania z czasoprzestrzenią - patrz 3 zdania wyżej ;)
Z czasem, gdy naukowcy badają dekoherencję i wszelkie jej formy, pomysł Wheelera o Wszechświecie partycypacyjnym staje się bardziej przejrzysty, mówi Danielson. Wszystkie cząstki we Wszechświecie, jak się wydaje, znajdują się w subtelnej superpozycji, dopóki nie zostaną poddane aktowi obserwacji. Oznaczoność wyłania się z interakcji'. - kontynuuje Danielson.
Dostrzeżenie, że czarne dziury i inne horyzonty Killinga obserwują wszystko, cały czas, 'czy nam się to podoba czy nie', jest bardziej sugestywnie potwierdzające pomysł Wszechświata partycypacyjnego niż inne typy dekoherencji.
Nie każdy jest gotowy przyjąć filozofię Wheelera na wielką skalę. 'Pomysł, że Wszechświat obserwuje sam siebie? To brzmi trochę jak zdanie rycerza Jedi'. - mówi Lupsasca. Zgadza się on, że 'wszystko obserwuje samo siebie cały czas poprzez interakcje'.
'Tak można to ująć w formie poetyckiej' - mówi Carney. 'Osobiście, uważam, że obecność horyzontu zdarzeń oznacza to, że pola które go otaczają, zostają uwięzione w pewien bardzo interesujący sposób'.
Kiedy Wheeler narysował wielkie 'U', a Wald był jego studentem w latach 70 ubiegłego wieku, uczeń nie myślał o Wszechświecie partycypacyjnym w wyżej opisany sposób. 'W teorii Wheelera uderzyło mnie to, że nie ma solidnych podstaw'.
A teraz? 'Wheeler wiele stwierdził na fali entuzjazmu, a dużo z jego pomysłów, te niejasne, okazały się niezwykle trafne'. - mówi Wald. Podkreśla on, że promieniowanie Hawkinga zostało przewidziane przez Wheelera dawno przed jego opisaniem.
'Wydaje się, że widział siebie jako osobę trzymającą lampę, aby oświetlić innym ludziom ścieżki do jego naśladowania.'
I to koniec na dziś. Mam nadzieję, że choć trochę zrozumiałe, ciekawe, godne zastanowienia.
A ja? Zapraszam do kolejnego odcinka @diesphys!