Ledově temný zrak černých děr rozežírá kvantovou koherenci

Fyzici spočítali, že horizonty událostí černých děr nakonec rozežerou prakticky všechny kvantové superpozice. Ať jsou kdekoliv. Podle nich jsou černé díry absolutními mistry dekoherence. Jejich tesknivé chřtány zírají na celý vesmír jako všudypřítomný a přitom úplně lhostejný pozorovatel. Kam se na fyziku hrabe H. P. Lovecraft.

Oko temnoty. Kredit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser.

Nejprve to byl hrozný šok. Pak pomohla jedna velmi speciální kočka, která je zároveň živá i mrtvá. Ale vesmír, jak říkají někteří, je od té doby rozbitý. Od položení základů kvantové mechaniky už uplynulo prakticky století a dneska nejsme o moc blíž pochopení všech těch kolabujících vlnových funkcí, koček v krabici nebo efektu pozorovatele. Obklopuje nás realita, ale přitom jí vlastně nerozumíme.

Někteří fyzici hledají odpovědi na přízračném území nikoho, které se rozkládá mezi říší kvant a panstvím obecné relativity. Tým fyziků americké University of Chicago, které vedl Daine Danielson, nedávno dospěl k závěru, že černé díry pouhou svou přítomností ničí kvantovou koherenci a násilím nutí částice, aby si vybraly jediný kvantový stav a daly tím sbohem kvantové superpozici.

Daine Danielson. Kredit: University of Chicago.

Danielsonovo trio použilo myšlenkový experiment. Nejspíš nikoho nepřekvapí, že v něm hraje zásadní role krabice. Podle všeho ke kvantové mechanice prostě patří. V této krabice je uzavřený kousek hmoty. V temnotě pod zavřeným víkem přetéká možnostmi. Není na konkrétním místě, nemá konkrétní spin ani konkrétní hybnost.

Když do této tajuplné krabice nakoukne všetečný fyzik, jeho zrak detekuje záření emitované zmíněným kouskem hmoty. Fyzik a také jeho okolí se nevyhnutelně kvantově prováže se zářením dotyčné hmoty, což vede k určité míře dekoherence. Kvantové možnosti začnou mizet. Když se v takové pikantní situaci objeví druhý fyzik a rovněž začne zírat do krabice, taktéž se prováže se zářením kousku hmoty a dekoherence se prohloubí.

Pro kvantovou mechaniku je příznačné, že tohle funguje, i když je onen druhý pozorovatel na exoplanetě, vzdálené spoustu světelných let. Pokud zírá do stejné krabice hodně dobrým teleskopem, opět dojde ke kvantovému provázání. Kvantovou mechaniku přitom moc nezajímá, že světlu trvá roky, než tam doletí. Kvantové provázání je hotové hned.

Logo. Kredit: University of Chicago.

Co když ale tento druhý pozorovatel zírá do inkriminované krabice ze chřtánu černé díry? Záření zvenčí, tedy s informací o krabici se do černé díry dostane snadno. Ale ven by se nemělo dostat nic. Tohle je další z osudových momentů, v nichž soudobá fyzika selhává, a kvantová mechanika s obecnou relativitou se navzájem rvou na kusy.

Danielson a spol. zaujali vychytralé stanovisko. Podle nich je druhý pozorovatel v černé díře vlastně irelevantní. Černé díry totiž od okolního světa (nejspíš) odděluje horizont událostí. A ten, dle badatelů, sám o sobě funguje jako ultimátní pozorovatel. Horizonty událostí, jak praví autoři studie, nakonec způsobí dekoherenci … prakticky úplně všeho.

Černé díry jsou podle Danielsona a jeho kolegů jako obří oči temnoty, které trpělivě sledují vesmír a ničí v něm superpozice, už jenom tím, že jsou. Tolkien to nejspíš nevěděl, ale jeho velké oči bez víček, ověnčené plameny, či přesněji řečeno Hawkingovým zářením, opravdu existují. Prstenem ale asi zničit nepůjdou. Fyzika, jak je vidět, může přivodit slušné noční můry.

Aby toho nebylo málo, podobný efekt na realitu mohou mít i objekty, které se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla a vytvářejí horizonty podobné horizontům událostí černých děr (Rindler horizons). Jak decentně upozorňuje Mike McRae ve svém komentáři na Science Alert, vesmír je sice stále „rozbitý,“ ale zároveň to neznamená, že by byl vědomým pozorovatelem. Zároveň si dělá naděje, že by temný pohled černých děr mohl konečně vést k usmíření kvantové mechaniky s obecnou relativitou. A s tím nelze než souhlasit.

Video: Daine Danielson - Black Holes Decohere Quantum Superpositions