Τι θα συνέβαινε αν τοποθετούσαμε θεωρητικά μια από τις πιο ακριβείς κβαντικές συσκευές σε σταθερή θέση έξω από μια μαύρη τρύπα; Μια Josephson junction, δηλαδή δύο υπεραγωγοί που χωρίζονται από ένα εξαιρετικά λεπτό φράγμα, μπορεί να μετατρέπει την τάση σε κβαντική ταλάντωση με εξαιρετική ακρίβεια.
Νέα μελέτη δείχνει ότι η έντονη βαρύτητα δεν αλλάζει τους τοπικούς κανόνες της κβαντικής φυσικής. Αντίθετα, αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ένας μακρινός παρατηρητής ερμηνεύει τις μετρήσεις της συσκευής.
Οι ερευνητές μελέτησαν τη λειτουργία Josephson στο στατικό εξωτερικό πεδίο Schwarzschild, δηλαδή στο ιδανικό θεωρητικό περιβάλλον γύρω από μια μη περιστρεφόμενη, σφαιρική μαύρη τρύπα.
Η διαφορά ανάμεσα στον τοπικό και τον μακρινό παρατηρητή
Ένας επιστήμονας που βρίσκεται δίπλα στη συσκευή μετρά τις συνηθισμένες σχέσεις Josephson χρησιμοποιώντας τον τοπικό χρόνο. Ένας παρατηρητής που βρίσκεται μακριά από τη μαύρη τρύπα χρησιμοποιεί διαφορετικό ρολόι, καθώς η βαρύτητα προκαλεί βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό.
Ο παράγοντας μετατόπισης, που συμβολίζεται συνήθως με α, είναι σχεδόν ίσος με ένα μακριά από τη μαύρη τρύπα και πλησιάζει το μηδέν όσο πλησιάζουμε τον ορίζοντα γεγονότων.
Έτσι, η τάση και η συχνότητα που καταγράφει ο μακρινός παρατηρητής εμφανίζονται μειωμένες. Η υπεραγωγιμότητα, όμως, δεν έχει αλλάξει. Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος σύγκρισης των μετρήσεων μεταξύ διαφορετικών βαρυτικών δυναμικών.
Το ρεύμα και η ισχύς μειώνονται διαφορετικά
Η επίδραση γίνεται ιδιαίτερα σαφής όταν εξετάζονται το κρίσιμο ρεύμα και η ισχύς. Το κρίσιμο ρεύμα όπως καταγράφεται από έναν παρατηρητή στο άπειρο περιλαμβάνει έναν παράγοντα α, ενώ η ισχύς περιλαμβάνει τον παράγοντα α².
Καθώς η συσκευή βρίσκεται βαθύτερα στο βαρυτικό πεδίο, ο μακρινός παρατηρητής καταγράφει μικρότερο ρεύμα και ακόμη πιο έντονα μειωμένη ισχύ.
Αυτό δε σημαίνει ότι η συσκευή λειτουργεί διαφορετικά τοπικά. Η διαφορά προκύπτει από τον τρόπο με τον οποίο ο χρόνος και η ενέργεια μεταφράζονται από το ένα βαρυτικό πεδίο στο άλλο.
Η επίδραση στα κβαντικά μοτίβα συμβολής
Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης ένα κάθετο SQUID, δηλαδή έναν υπεραγώγιμο κβαντικό συμβολόμετρο με δύο Josephson junctions σε διαφορετικά βαρυτικά δυναμικά.
Η βαρύτητα δε μετατοπίζει ολόκληρο το μοτίβο συμβολής στην πρώτη τάξη. Κυρίως μειώνει το πλάτος του σήματος και προκαλεί μικρή παραμόρφωση, ενώ οι θέσεις των λοβών παραμένουν στις συνήθεις τιμές της μαγνητικής ροής.
Σε συστήματα ραδιοσυχνοτήτων, πιθανές μετατοπίσεις συνδέονται κυρίως με τον χρόνο διάδοσης των σημάτων και το φαινόμενο καθυστέρησης Shapiro, όχι με μια άμεση μεταβολή των κβαντικών κανόνων.
Τι θα συνέβαινε κοντά στον ορίζοντα
Όσο ο παράγοντας α πλησιάζει το μηδέν, οι επιδράσεις που καταγράφει ένας μακρινός παρατηρητής γίνονται δραματικές. Το κρίσιμο ρεύμα φαίνεται να μηδενίζεται, ενώ η ισχύς καταστέλλεται ακόμη περισσότερο.
Ωστόσο, η μελέτη αποτελεί θεωρητικό μοντέλο και όχι πρόταση για την τοποθέτηση εργαστηριακού εξοπλισμού κοντά σε έναν ορίζοντα γεγονότων. Η επιτάχυνση που απαιτείται για να παραμείνει μια συσκευή ακίνητη ακριβώς στον ορίζοντα θα ήταν άπειρη.
Στη Γη, η αντίστοιχη διαφορά είναι εξαιρετικά μικρή. Σε κατακόρυφη απόσταση ενός μέτρου, η βαρυτική μετατόπιση είναι περίπου μία στο 10¹⁶, πολύ μικρή για να ξεχωρίσει από τον συνηθισμένο θόρυβο και τις συστηματικές αβεβαιότητες των σημερινών συσκευών Josephson.
Το βασικό συμπέρασμα της μελέτης είναι σαφές: κοντά σε μια μαύρη τρύπα, το κβαντικό κύκλωμα συνεχίζει να υπακούει στους ίδιους κβαντικούς κανόνες. Η βαρύτητα αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι μετρήσεις του φαίνονται σε έναν παρατηρητή που βρίσκεται μακριά.
