Νέοι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι ορίζοντες γεγονότων γύρω από τις μελανές οπές θα προκαλέσουν την “αποσυνοχή” των κβαντικών πιθανοτήτων – ακόμα και αυτών που βρίσκονται πολύ μακριά.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 στο Πανεπιστήμιο του Princeton, ο διάσημος θεωρητικός φυσικός John Wheeler συνήθιζε στα σεμινάρια αλλά και στις συζητήσεις που γίνονταν στους διαδρόμους να σχεδιάζει ένα μεγάλο “U”. Η αριστερή άκρη του γράμματος αναπαριστουσε την αρχή του σύμπαντος, όπου όλα ήταν αβέβαια και όλες οι κβαντικές πιθανότητες συνέβαιναν ταυτόχρονα. Η δεξιά άκρη του γράμματος -κάποιες φορές διακοσμημένη με ένα μάτι- αναπαριστουσε έναν παρατηρητή που κοιτάζει πίσω στο χρόνο, δίνοντας έτσι σάρκα και οστά στην αριστερή πλευρά του U.
Σε αυτό το “συμμετοχικό σύμπαν” (participatory universe), όπως το αποκαλούσε 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.
«Έλεγε πράγματα όπως «Κανένα φαινόμενο δεν είναι αληθινό φαινόμενο μέχρι να γίνει ένα παρατηρηθέν φαινόμενο», λέει ο Robert M. Wald, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ο οποίος εκείνη την εποχή ήταν διδακτορικός φοιτητής του Wheeler.
Τώρα, μελετώντας το πώς συμπεριφέρεται η κβαντική θεωρία στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας, ο Wald και οι συνεργάτες του βρήκαν ένα νέο φαινόμενο το οποίο δείχνει να ταιριάζει με το συμμετοχικό σύμπαν του Wheeler. Ανακάλυψαν ότι η παρουσία και μόνο μιας μαύρης τρύπας, αρκεί για να μετατρέψει τη θολή “υπέρθεση” ενός σωματιδίου -το να βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές πιθανές καταστάσεις- σε μια καλά καθορισμένη πραγματικότητα. «Μας δίνει την ιδέα ότι οι ορίζοντες των μελανών οπών, παρακολουθούν», δηλώνει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Gautam Satishchandran, θεωρητικός φυσικός στο Princeton.
«Αυτό που βρήκαμε ίσως είναι μια κβαντομηχανική υλοποίηση [του συμμετοχικού σύμπαντος], όπου όμως ο ίδιος ο χωροχρόνος παίζει το ρόλο του παρατηρητή», εξηγεί η Daine Danielson , η τρίτη συγγραφέας, επίσης από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Οι θεωρητικοί, τώρα, συζητούν σχετικά με το τι μπορούν να διαβάσουν/κατανοήσουν από αυτές τις μαύρες τρύπες με το “άγρυπνο μάτι”. «Φαίνεται να μας λέει κάτι βαθύ σχετικά με τον τρόπο που η βαρύτητα επηρεάζει την μέτρηση στην κβαντική μηχανική», δηλώνει ο Sam Gralla, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Κανείς, όμως, δεν γνωρίζει εάν αυτό θα φανεί τελικά χρήσιμο στους ερευνητές που κινούνται αργά και βασανιστικά προς μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας.
Το φαινόμενο αυτό 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 σημείωσαν μεγάλη επιτυχία σχετικά με την ακτινοβολία Hawking, η οποία προκαλεί την αργή εξάτμιση των μελανών οπών. «Τα αμυδρά φαινόμενα που δεν είχαμε παρατηρήσει προηγουμένως μας παρέχουν περιορισμούς από τους οποίους μπορούμε να αντλήσουμε στοιχεία για το πώς να κινηθούμε προς την κβαντική βαρύτητα», δηλώνει ο Alex Lupsasca, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή τη νέα έρευνα.
Μελανές οπές και Υπερθέσεις
Για να κατανοήσετε το πώς θα μπορούσε μια μαύρη τρύπα να παρατηρεί το σύμπαν, ξεκινήστε σιγά σιγά. Αναλογιστείτε το κλασικό πείραμα της διπλής σχισμής, όπου τα κβαντικά σωματίδια εκτοξεύονται προς τις δύο σχισμές ενός εμποδίου. Στην συνέχεια, αυτά που κατάφεραν να περάσουν, ανιχνεύονται επάνω σε ένα πέτασμα που βρίσκεται στην άλλη πλευρά.
Αρχικά, κάθε σωματίδιο φαίνεται να εμφανίζεται σε τυχαίο σημείο επάνω στο πέτασμα. Όμως, καθώς περνούν όλο και περισσότερα σωματίδια μέσα από τις σχισμές, αρχίζει να κάνει την εμφάνισή του ένα μοτίβο από ανοιχτόχρωμες και σκούρες λωρίδες· τους κροσσούς συμβολής. Το μοτίβο αυτό υποδηλώνει ότι κάθε σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν κύματα που περνούν και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Οι λωρίδες (ή κροσσόι συμβολής) προκύπτουν από τις κορυφές και τις κοιλίες των κυμάτων που συμβάλλουν, με αποτέλεσμα είτε να αλληλοενισχύονται είτε να αλληλοαναιρούνται.
Προσθέστε τώρα στην διάταξη και έναν ανιχνευτή, για να καταγράψετε από ποια σχισμή περνά το κάθε σωματίδιο. Το μοτίβο των ανοιχτόχρωμων και σκούρων λωρίδων θα εξαφανιστεί. Η ίδια η παρατήρηση μεταβάλλει την κατάσταση του σωματιδίου – η κυματική του φύση εξαφανίζεται. Οι φυσικοί λένε ότι οι πληροφορίες που πήραμε μέσω της συσκευής ανίχνευσης προκαλούν “απώλεια συνοχής”, οδηγώντας τις κβαντικές πιθανότητες σε μια οριστική πραγματικότητα.
Είναι ιδιαίτερα σημαντικό το ότι ο ανιχνευτής σας δεν χρειάζεται να βρίσκεται κοντά στις σχισμές για να καταλάβει ποια διαδρομή πήρε το σωματίδιο. Ένα φορτισμένο σωματίδιο, για παράδειγμα, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μεγάλης (θεωρητικά άπειρης) εμβέλειας, το οποίο εμφανίζει διαφορετικές διακυμάνσεις 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 το μονοπάτι που ακολούθησε το σωματίδιο, προκαλώντας με αυτόν τον τρόπο αποσυνοχή.
Το 2021, οι Wald, Satishchandran και Danielson εξέταζαν ένα παράδοξο που προκύπτει όταν υποθετικοί παρατηρητές συλλέγουν πληροφορίες με αυτόν τον τρόπο. Φαντάστηκαν μια πειραματίστρια, την Alice, που δημιουργεί ένα σωματίδιο σε μία υπέρθεση καταστάσεων. Η ίδια, αργότερα, θα ελέγξει να δει εάν εμφανίζεται μοτίβο συμβολής. Το σωματίδιο θα εμφανίσει αποτελέσματα φαινομένου συμβολής μόνο εάν δεν βρίσκεται σε διεμπλοκή με κάποιο εξωτερικό σύστημα, καθώς η Αλίκη το παρατηρεί.
Στη συνέχεια έρχεται ο Bob, ο οποίος από μακριά επιχειρεί να καταγράψει την θέση του σωματιδίου, μετρώντας τα (μεγάλης εμβέλειας, όπως είπαμε) πεδία του. Σύμφωνα με την αρχή της αιτιότητας, ο Bob δεν θα πρέπει να είναι σε θέση να επηρεάσει το αποτέλεσμα του πειράματος της Alice, αφού το πείραμα θα έχει τελειώσει μέχρι να φτάσουν στην Alice τα σήματα από τον Bob. Ωστόσο, σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, εάν ο Bob καταφέρει να κάνει την μέτρηση σχετικά με το σωματίδιο, τότε θα διεμπλακεί με αυτό, οπότε η Alice δεν θα δει κάποιο μοτίβο συμβολής.
Οι τρεις επιστήμονες υπολόγισαν ότι το ποσό αποσυνοχής που οφείλεται στις ενέργειες του Bob είναι πάντα μικρότερο από την αποσυνοχή που θα προκαλούσε με φυσικό τρόπο η Alice, λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπει (η οποία εναγκαλίζεται, επίσης, με το σωματίδιο). Έτσι ο Bob δεν θα μπορούσε ποτέ να προκαλέσει απώλεια συνοχής στο πείραμα της Alice, γιατί θα την είχε προκαλέσει ήδη η ίδια η Alice. Και παρότι μια παλαιότερη εκδοχή αυτού του παραδόξου επιλύθηκε το 2018 με κάποιους πιο χοντρικούς υπολογισμούς από τον Wald και μια διαφορετική ομάδα ερευνητών, ο Danielson το πήγε ένα βήμα παραπέρα.
Έθεσε ένα πείραμα σκέψης στους συνεργάτες του: «Γιατί δεν μπορώ να βάλω τον ανιχνευτή [του Bob] σε μια μαύρη τρύπα;» Σε μια τέτοια διάταξη, ένα σωματίδιο σε υπέρθεση, εκτός του ορίζοντα γεγονότων, θα εκπέμψει πεδία που θα διασχίσουν τον ορίζοντα και θα εντοπιστούν από τον Bob στην άλλη πλευρά, μέσα στη μαύρη τρύπα. Ο ανιχνευτής θα πάρει πληροφορίες για το σωματίδιο, όμως -καθώς ο ορίζοντας γεγονότων αποτελεί “εισιτήριο χωρίς επιστροφή”- καμία πληροφορία δεν θα μπορέσει να τον διασχίσει προς τα πίσω, λέει ο Danielson. «Ο Bob δεν μπορεί να επηρεάσει την Alice από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, επομένως η ίδια αποσυνοχή πρέπει να λάβει χώρα και χωρίς τον Bob», εξηγεί η ερευνητική ομάδα. Η ίδια η μαύρη τρύπα πρέπει να προκαλέσει απώλεια συνοχής στην υπέρθεση.
«Στην ποιητική γλώσσα του συμμετοχικού σύμπαντος, είναι σαν ο ορίζοντας να παρακολουθεί τις υπερθέσεις», λέει ο Danielson.
Έχοντας στο μυαλό τους τα παραπάνω, ξεκίνησαν να δουλεύουν για τον ακριβή υπολογισμό του πως οι κβαντικές υπερθέσεις επηρεάζονται από τον χωροχρόνο των μελανών οπών. Σε ένα paper που ανέβηκε τον Ιανουάριο στον διακομιστή προδημοσιεύσεων arxiv.org, κατέληξαν σε έναν απλό τύπο που περιγράφει τον ρυθμό με τον οποίο η ακτινοβολία διασχίζει τον ορίζοντα γεγονότων, προκαλώντας έτσι την αποσυνοχή. «Και μόνο το ότι υπήρξε κάποιου είδους επίδραση, με εξέπληξε», δηλώνει ο Wald.
Μαλλιά στον ορίζοντα
Η ιδέα ότι οι ορίζοντες γεγονότων συλλέγουν πληροφορίες και προκαλούν αποσυνοχή δεν είναι καινούργια. Το 2016, οι Stephen Hawking, Malcolm Perry και 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 τα σωματίδια αυτά. Η εικόνα αυτή, προτάθηκε ως λύση στο παράδοξο της πληροφορίας των μελανών οπών, μια συνέπεια της προηγούμενης ανακάλυψης του Hawking ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία.
Το πρόβλημα ήταν ότι η ακτινοβολία Hawking αποστραγγίζει ενεργειακώς τις μαύρες τρύπες, προκαλώντας την πλήρη εξάτμισή τους με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η διαδικασία εμφανιζόταν να καταστρέφει κάθε πληροφορία που έχει πέσει μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Αυτό, όμως, θα έρχονταν σε αντίθεση με την κβαντική μηχανική: οι πληροφορίες στο σύμπαν δεν μπορούν να καταστραφούν.
Η χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία που προτάθηκε από την επιστημονική τριάδα θα ξεπερνούσε αυτό το εμπόδιο επιτρέποντας σε κάποιες πληροφορίες να διανεμηθούν σε μία άλω γύρω από τη μαύρη τρύπα και να διαφύγουν. Οι ερευνητές ονόμασαν την πλούσια σε πληροφορίες άλω “μαλακά μαλλιά”.
Οι Wald, Satishchandran και Danielson δεν ερευνούσαν το παράδοξο της πληροφορίας των μελανών οπών. Η εργασία τους, όμως, έχει να κάνει με μαλακά μαλλιά. Συγκεκριμένα, έδειξαν ότι τα μαλακά μαλλιά δημιουργούνται όχι μόνο όταν τα σωματίδια πέφτουν στον ορίζοντα, αλλά όταν τα σωματίδια που βρίσκονται έξω από μια μαύρη τρύπα, απλώς μετακινούνται σε διαφορετική τοποθεσία. Οποιαδήποτε κβαντική υπέρθεση που βρίσκεται εκτός, θα διεμπλακεί με μαλακά μαλλιά του ορίζοντα, προκαλώντας αποσυνοχή. Με αυτόν τον τρόπο η υπέρθεση καταγράφεται ως ένα είδος “ανάμνησης” στον ορίζοντα.
Ο υπολογισμός αποτελεί μια «υλοποίηση των μαλακών μαλλιών», δηλώνει ο Daniel Carney, θεωρητικός φυσικός στο “Lawrence Berkeley National Laboratory”. «Είναι μία ωράια εργασία. Θα μπορούσε να αποτελέσει μια πολύ χρήσιμη κατασκευή ώστε να προσπαθήσουμε να κάνουμε αυτή την ιδέα να λειτουργήσει λεπτομερώς.”
Όμως, για τον Carney όπως και για αρκετούς άλλους θεωρητικούς που εργάζονται στην πρώτη γραμμή της έρευνας για την κβαντική βαρύτητα, αυτή η επίδραση αποσυνοχής δεν αποτελεί έκπληξη. Η μεγάλης εμβέλειας φύση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και της βαρύτητας σημαίνει ότι «είναι δύσκολο να διατηρήσεις κάτι απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν», εξηγεί ο Daniel Harlow, θεωρητικός φυσικός στο “Massachusetts Institute of Technology”.
Ολική αποσυνοχή
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι σε αυτό το είδος αποσυνοχής κρύβεται κάτι το μοναδικά “ύπουλο”. Συνήθως, οι φυσικοί είναι σε θέση να ελέγξουν την αποσυνοχή θωρακίζοντας το πείραμά τους από το εξωτερικό περιβάλλον. Η ύπαρξη κενού, για παράδειγμα, αφαιρεί την επίδραση των κοντινών μορίων αερίου. Όμως τίποτα δεν μπορεί να θωρακίσει από τη βαρύτητα, επομένως δεν υπάρχει τρόπος να απομονωθεί ένα πείραμα από την μεγάλης εμβέλειας επίδραση της βαρύτητας. «Στο τέλος, κάθε υπέρθεση θα υποστεί πλήρη αποσυνοχή», λέει ο Satishchandran. «Δεν υπάρχει τρόπος να το αποφύγουμε».
Ως εκ τούτου, οι συγγραφείς θεωρούν ότι οι ορίζοντες των μελανών οπών παίζουν έναν πολύ πιο ενεργό ρόλο στην αποσυνοχή από αυτόν που θεωρούσαμε έως τώρα. «Η ίδια η γεωμετρία του σύμπαντος, σε αντίθεση με την ύλη που βρίσκεται μέσα σε αυτό, είναι υπεύθυνη για την αποσυνοχή», γράφουν.
Ο Carney αμφισβητεί αυτήν την ερμηνεία, λέγοντας ότι το νέο φαινόμενο αποσυνοχής μπορεί επίσης να εκληφθεί ως συνέπεια των ηλεκτρομαγνητικών ή βαρυτικών πεδίων, σε συνδυασμό με τους κανόνες που ορίζονται από την αιτιότητα. Και, αντίθετα από την ακτινοβολία Hawking, όπου ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, σε αυτήν την περίπτωση ο ορίζοντας «δεν εμφανίζει καμία απολύτως δυναμική», δηλώνει ο Carney. «Ο ορίζοντας δεν κάνει τίποτα, από μόνος του· εγώ δεν θα ερμήνευα το φαινόμενο κατ’ αυτόν τον τρόπο».
Για να μην παραβιάζεται η αιτιότητα, οι υπερθέσεις που βρίσκονται έξω από τη μαύρη τρύπα θα πρέπει να υφίστανται αποσυνοχή με τον μέγιστο δυνατό ρυθμό με τον οποίο, 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», λέει ο Gralla. «Δεν είναι κάτι που περιμένετε να συμβεί μετά από περισσότερα από 100 χρόνια από την διατύπωση της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής».
Ενδιαφέρον παρουσιάζει ότι αυτό το είδος αποσυνοχής μπορεί να συμβεί οπουδήποτε υπάρχει ένας ορίζοντας ο οποίος επιτρέπει στις πληροφορίες να ταξιδεύουν προς μία μόνο κατεύθυνση, δημιουργώντας έτσι δυνατότητα για εμφάνιση παραδόξων αιτιότητας. Η άκρη του γνωστού σύμπαντος, που ονομάζεται κοσμολογικός ορίζοντας, αποτελεί ένα ακόμα παράδειγμα. Ή σκεφτείτε τον “ορίζοντα Rindler”, ο οποίος σχηματίζεται πίσω από έναν παρατηρητή ο οποίος συνεχώς επιταχύνει και πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. Όλοι αυτοί οι «Ορίζοντες Killing» (που πήραν το όνομά τους από τον Γερμανό μαθηματικό, του τέλους του 19ου και των αρχών του 20ου αιώνα Wilhelm Killing ) προκαλούν την αποσυνοχή των κβαντικών υπερθέσεων. «Αυτοί οι ορίζοντες σας παρακολουθούν ακριβώς με τον ίδιο ακριβώς τρόπο», εξηγεί ο Satishchandran.
Το τι ακριβώς σημαίνει, η άκρη του γνωστού σύμπαντος να παρακολουθεί τα πάντα μέσα στο σύμπαν δεν είναι απολύτως σαφές. «Δεν κατανοούμε τον κοσμολογικό ορίζοντα», λέει ο Lupsasca. «Είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό, αλλά πολύ πιο δύσκολο από τις μαύρες τρύπες».
Σε κάθε περίπτωση, θέτοντας νοητικά πειράματα όπως αυτό, όπου συγκρούεται η βαρύτητα με την κβαντική θεωρία, οι φυσικοί ελπίζουν να μάθουν σχετικά με τη συμπεριφορά μιας ενοποιημένης θεωρίας. «Είναι αρκετά πιθανό να μας δώσει κάποια παραπάνω στοιχεία για την κβαντική βαρύτητα», λέει ο Wald. Για παράδειγμα, το νέο φαινόμενο μπορεί να βοηθήσει τους θεωρητικούς να κατανοήσουν πώς η σχετίζεται η διεμπλοκή με τον χωροχρόνο.
Το Συμμετοχικό Σύμπαν
Καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να μαθαίνουν για την αποσυνοχή σε όλες τις μορφές της, η έννοια του συμμετοχικού σύμπαντος του Wheeler γίνεται πιο ξεκάθαρη, σύμφωνα με τον Danielson. Όπως φαίνεται, όλα τα σωματίδια στο σύμπαν βρίσκονται σε υπέρθεση μέχρι να παρατηρηθούν. Ο καθορισμός προκύπτει μέσα από τις αλληλεπιδράσεις. «Αυτό νομίζω πως είχε στο μυαλό του ο Wheeler», λέει ο Danielson.
Και η διαπίστωση ότι οι μαύρες τρύπες -καθώς και οι άλλοι ορίζοντες Killing- παρατηρούν τα πάντα, όλη την ώρα, «είτε μας αρέσει είτε όχι», είναι «περισσότερο ενδεικτικό» ενός συμμετοχικού σύμπαντος από τα άλλα είδη αποσυνοχής, λένε οι συγγραφείς.
Δεν είναι όλοι έτοιμοι να αποδεχθούν τη φιλοσοφία του Wheeler. «Η ιδέα ότι το σύμπαν παρατηρεί τον εαυτό του; Αυτό ακούγεται λίγο Jedi για μένα», δηλώνει η Lupsasca, η οποία ωστόσο συμφωνεί πως «τα πάντα παρατηρούν συνεχώς τον εαυτό τους μέσω των αλληλεπιδράσεων». «Ποιητικά, θα μπορούσες να το σκεφτείς έτσι», λέει ο Carney. «Προσωπικά, θα έλεγα απλώς ότι η παρουσία του ορίζοντα σημαίνει ότι τα πεδία που ζουν γύρω του, θα κολλήσουν στον ορίζοντα με έναν πραγματικά ενδιαφέροντα τρόπο».
Όταν ο Wheeler σχεδίασε για πρώτη φορά το μεγάλο “U” -τη δεκαετία του 1970 που ο Wald ήταν φοιτητής- ο Wald δεν το είδε ως κάτι σπουδαίο. «Η ιδέα του Wheeler δεν μου φάνηκε να πατάει σε τόσο στέρεη βάση». Ενώ τώρα? «Πολλά από τα πράγματα που έκανε αφορούσαν ενθουσιασμό και μερικές ασαφείς ιδέες που αργότερα αποδείχτηκε ότι είχαν “πέσει μέσα”», λέει ο Wald, σημειώνοντας ότι ο Wheeler είχε φανταστεί την ακτινοβολία Hawking, πολύ πριν υπολογιστεί το φαινόμενο.
«Έβλεπε τον εαυτό του ως κάποιον που φωτίζει τα πιθανά μονοπάτια, ώστε να μπορέσουν να τα ακολουθήσουν οι άλλοι».
Πηγή: https://www.quantamagazine.org/
