Не пытайтесь проводить квантовый эксперимент вблизи черной дыры – само ее присутствие разрушает все квантовые состояния поблизости, говорят исследователи.
Вывод сделан в результате мысленного эксперимента, в котором правила квантовой механики и черные дыры противопоставляются друг другу, сообщили физики на собрании Американского физического общества. Исследователи обнаружили, что любой квантовый эксперимент, проведенный вблизи черной дыры, может создать парадокс, в котором черная дыра раскрывает информацию о своем внутреннем пространстве, что, по мнению физики, запрещено. Команда сообщает, что парадокс можно обойти, если черная дыра просто уничтожает любые квантовые состояния, которые приближаются.
Это разрушение может иметь значение для будущих теорий квантовой гравитации. Эти востребованные теории стремятся объединить квантовую механику, набор правил, управляющих субатомными частицами, и общую теорию относительности, описывающую движение массы в космических масштабах.
«Идея состоит в том, чтобы использовать свойства теорий, которые вы понимаете, а именно квантовую механику и гравитацию, для исследования аспектов фундаментальной теории», которой является квантовая гравитация, говорит физик-теоретик Гаутам Сатишчандран из Принстонского университета.
Вот как Сатичандран вместе с физиками-теоретиками Дейном Дэниелсоном и Робертом Уолдом из Чикагского университета сделали именно это.
Сначала команда представила человека, назовем ее Алисой, выполняющей знаменитый эксперимент с двумя щелями в лаборатории, вращающейся вокруг черной дыры. В этом классическом примере квантовой физики ученый посылает частицу, такую как электрон или фотон, к паре щелей в твердом барьере. Если за движением частицы никто не наблюдает, то на экране по другую сторону барьера появляется характерная для волн интерференционная картина, как если бы частица прошла сразу через обе щели. Но если кто-то или какое-то устройство измерит путь частицы, он зарегистрирует, что она прошла через ту или иную щель. Квантовое состояние частицы, заключающееся в том, что она, по-видимому, находится в двух местах одновременно, разрушается.
Затем команда представила другого человека, Боба, сидящего прямо за горизонтом событий черной дыры – границей, за которой даже свет не может избежать гравитации черной дыры. Несмотря на то, что Боб обречен, он все еще может проводить измерения. Законы физики ведут себя так же внутри горизонта, как и снаружи. «На горизонте вы бы даже не поняли, что упали», говорит Сатичандран.
Когда Боб увидит, через какую щель прошла частица Алисы, квантовое состояние частицы рухнет. Это также дало бы Алисе знать, что Боб находится там, что испортило ее эксперимент. Но это парадокс: ничто из того, что делается внутри черной дыры, не должно влиять на то, что снаружи. По законам физики Боб вообще не должен иметь возможности общаться с Алисой.
«Парадокс в том, что черные дыры – это улица с односторонним движением», говорит Сатишчандран. «Ничто, сделанное внутри черной дыры, не может повлиять на мой эксперимент, который я провожу снаружи. Но мы только что придумали сценарий, который, безусловно, повлияет на эксперимент».
Затем команда догадалась о возможном решении этого парадокса: сама черная дыра заставляет коллапсировать квантовое состояние частицы Алисы, независимо от того, находится там Боб или нет. «Должно быть, на помощь приходит эффект, который никто не рассчитывал в этих теориях», говорит Дэниелсон.
Спасение пришло из того факта, что заряженные частицы излучают свет при встряхивании. Как бы тщательно Алиса ни ставила свой эксперимент, ее частица всегда будет излучать крошечное количество света при движении, как показали физики. Это излучение будет иметь различное электромагнитное поле в зависимости от того, куда пошла частица Алисы.
Когда излучение пересекает горизонт событий черной дыры, она регистрирует эту разницу, эффективно наблюдая за исходной частицей достаточно, чтобы разрушить ее квантовое состояние.
«Горизонт на самом деле "знает", куда пошла частица», говорит Сатишчандран с математической точки зрения. Алиса винит черную дыру в разрушении ее эксперимента, а не Боба, и парадокс разрешается.
Команда пошла дальше этой идеи. Если Алиса проведет аналогичный эксперимент с незаряженной частицей, эта частица при условии, что она имеет массу, будет излучать частицы гравитации, называемые гравитонами. В этом случае команда обнаружила, что происходит то же самое, как если бы частица была электроном, испускающим пакеты света. И если рассматриваемый горизонт – не черная дыра, а космический горизонт, обозначающий край видимой вселенной, то частица Алисы все равно схлопнется, сообщила команда.
По словам исследователей, конечной целью этого мысленного эксперимента является не создание полной теории квантовой гравитации, а скорее набросок схемы, в которую должна вписаться возможная будущая теория.
«Мы не занимаемся построением теорий квантовой гравитации, говорит Сатишчандран. «Но мы хотели бы предоставить тесты, которые, мы надеемся, расскажут нам что-то более фундаментальное о том, как выглядят такие теории».
Непонятно, как отсюда перейти к полной теории, соглашается физик Алекс Лупсаска из Университета Вандербильта в Нэшвилле, не участвовавший в исследовании. Но идея о том, что черные дыры могут действовать как квантовые наблюдатели, интересна сама по себе.
«Я думаю, что это истинный факт, который должен стать частью возможной теории квантовой гравитации», говорит он. «Но неизвестно, является ли это важной подсказкой, которую мы собираем на пути к окончательной теории квантовой гравитации, или это просто интересный обходной путь на пути к раскрытию этой теории».
