Kvantová černá díra. Kredit: NightCafe Creator AI / University of Queensland.

Černé díry se vynořily z rovnic Einsteinovy obecné relativity dávno předtím, než byla první z nich vystopována ve slavném objektu Cygnus X-1 v roce 1971. V dnešní době se posunuly na žhavé rozhraní mezi obecnou relativitou a kvantovou mechanikou a fyzici se velmi zajímají o kvantové vlastnosti černých děr.

Joshua Foo.

Kredit: University of Queensland.

Na této vlně surfoval i tým teoretických fyziků, který vedl Joshua Foo z australské University of Queensland. Zaměřili se na kvantové fenomény černých děr, jako by nestačily ty relativistické.

Jedním z těchto fenoménů byla i kvantová superpozice, tedy situace, kdy kvantový objekt existuje zároveň v různých kvantových stavech. Ikonický příklad kvantové superpozice představuje Schrödingerova kočka, která je živá i mrtvá zároveň.

Foo a jeho tým zjišťovali, jestli jsou Schrödingerovými kočkami černé díry, pokud jde o jejich hmotnost. Jestli mohou mít zároveň různé hmotnosti. Výpočty ukázaly, že mohou.

Logo. Kredit: University of Queensland.

Jak naznačuje Foo, pro lidskou představivost je to docela oříšek. Jako kdyby někdo byl vysoký a vychrtlý, a zároveň zakrslý a při těle. Černé díry ale podle všeho právě takhle vypadají.

Podle obecné relativity je možné černé díry úplně popsat pouhými třemi vlastnostmi – momentem hybnosti, elektrickým nábojem a hmotností. Badatelé měli podezření, že právě hmotnost černých děr by mohla podléhat superpozici kvantových černých děr. A nakonec se to potvrdilo.

Vědce překvapilo, že jejich výsledky jsou v souladu s letitými závěry americko-izraelského teoretického fyzik Jacoba Bekensteina. Ten kdysi zásadně přispěl k rozvoji termodynamiky černých děr. Předpokládal, že hmotnost černých děr může nabývat pouze určitých hodnot, podobně jako existují energetické hladiny atomů. Foo a spol. s tím nepočítali, ale dospěli k tomu, že kvantová superpozice hmotnosti černých děr zahrnuje hodnoty, které jsou v souladu s Bekensteinovými předpověďmi. Jak lakonicky shrnuje Foo, vesmír opět předvedl, že je ještě podivnější a tajemnější, než si lidé obvykle dovedou představit.

Literatura

University of Queensland 31. 10. 2022.

Physical Review Letters 129: 181301.