Podczas odbywającego się w kwietniu dorocznego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego naukowcy przedstawili wyniki prostego eksperymentu myślowego, w którym próbowali zderzyć ze sobą fizykę czarnych dziur oraz podstawy mechaniki kwantowej.
Czytaj także: Naukowcy stworzyli szczeliny w czasie i przepuścili przez nie światło. Co to znaczy?
Wyniki takiego eksperymentu są zaskakujące. Wychodzi bowiem na to, że eksperymenty kwantowe wykonywane w pobliżu czarnej dziury mogą prowadzić do paradoksu, w którym teoretycznie czarna dziura musiałaby ujawnić informacje o swoim wnętrzu, co jak wyżej wspomniano jest niemożliwe. Jak zatem czarna dziura może zapobiec powstawaniu paradoksu? Fizycy przekonują, że musi ona niszczyć wszystkie stany kwantowe, które pojawią się w jej bezpośrednim otoczeniu.
Eksperyment z dwoma szczelinami…
Jeżeli chodzi o eksperymenty kwantowe, to ten z dwoma szczelinami jest zdecydowanie najbardziej znany. Eksperyment za pomocą odpowiedniego urządzenia emituje pojedynczy foton w kierunku ściany, na której znajdują się dwie szczeliny. Kiedy foton nie jest obserwowany, na ścianie znajdującej się za ścianą ze szczelinami pojawia się obraz interferencyjny charakterystyczny dla fal, które powstałyby gdyby foton przeszedł przez obie szczeliny jednocześnie. Jeżeli jednak obserwator lub jakieś urządzenie próbuje zmierzyć ścieżkę, którą podąża foton wyemitowany w kierunku ściany, na dalszej ścianie znajdzie się tylko jeden punkt świetlny, jak gdyby foton był cząstką, a nie falą. Cząstka nie może już być pozornie w dwóch miejscach naraz. Jej stan kwantowy ulega zmianie.
Czytaj także: Blisko Ziemi znajduje się czarna dziura. Uwieczniono ją w czasie obiadu
…ale obok jest czarna dziura
Fizycy z Uniwersytetu w Princeton oraz Uniwersytetu Chicago wyobrazili sobie osobę (Alice), która właśnie taki klasyczny eksperyment przeprowadza tuż przy horyzoncie zdarzeń czarnej dziury. Gdy Alicja patrzy na foton, przechodzi on przez jedną szczelinę, kiedy nie patrzy, przez dwie. Problem pojawi się jednak kiedy wyobrazimy sobie, że tuż obok, po drugiej stronie horyzontu zdarzeń siedzi druga osoba, Bob. Bob obserwuje eksperyment wykonywany przez Alice i uważnie śledzi drogę fotonu do ściany z dwoma szczelinami.
Swoją drogą Alice nie widzi Boba, bo on wpadł już za horyzont zdarzeń, a stamtąd już żadna informacja na zewnątrz nie dociera, Bob też zresztą już stamtąd nie wróci, ani żadnej informacji nie przekaże na zewnątrz. Skoro jednak Bob obserwuje drogę fotonu do szczeliny, to foton powinien przejść tylko przez jedną z obu szczelin. Gdzie problem? Skoro Alice nie obserwuje fotonu, a mimo to przechodzi on tylko przez jedną szczelinę, to… Alice otrzymałaby informację o tym, że obok, za horyzontem zdarzeń znajduje się jakiś obserwator. Tym samym Alice dowiedziałaby się co jest za horyzontem zdarzeń, a to przecież jest niemożliwe. Uff!
Potencjalne rozwiązanie
Naukowcy doszli do wniosku, że rozwiązaniem paradoksu może być sytuacja, w której sama czarna dziura jest obserwatorem, a tym samym niszczy stan kwantowy cząstki. W jaki sposób? Według przedstawionej ostatnio teorii emisja przez Alicję cząstki w kierunku przeszkody ze szczelinami sprawia, że naładowana cząstka emituje niewielką ilość promieniowania. W zależności od tego, którędy cząstka podążyła nieco inaczej będzie wyglądało pole elektromagnetyczne w jej otoczeniu. Kiedy informacja o tym dotrze do horyzontu zdarzeń, czarna dziura, czy też horyzont zdarzeń siłą rzeczy będzie wiedział, którędy cząstka przeszła, a więc… sama czarna dziura będzie obserwatorem, który właśnie zniszczył stan kwantowy owej cząstki.
Eksperyment sam w sobie jest bardzo ciekawy, jednak naukowcy zauważają, że takie zachowanie czarnych dziur musi się znaleźć w poszukiwanej od dekad teorii wszystkiego, tudzież teorii kwantowej grawitacji, która będzie opisywała wszechświat, w którym żyjemy w każdej skali.
