Jak gravitace u černé díry ovlivňuje kvantové obvody: Mění měření, nikoli základní fyzikální zákony

Vědci zkoumali, jak se chová jeden z nejpřesnějších kvantových přístrojů, Josephsonův spoj, v silném gravitačním poli černé díry. Josephsonův spoj, tvořený dvěma supravodiči oddělenými ultratenkou bariérou, dokáže s mimořádnou přesností přeměnit napětí na kvantovou oscilaci.

Vědci zkoumali, jak se chová jeden z nejpřesnějších kvantových přístrojů, Josephsonův spoj, v silném gravitačním poli černé díry. Josephsonův spoj, tvořený dvěma supravodiči oddělenými ultratenkou bariérou, dokáže s mimořádnou přesností přeměnit napětí na kvantovou oscilaci. Hlavní otázkou bylo, zda intenzivní gravitace změní samotná kvantová pravidla zařízení, nebo pouze způsob, jakým vzdálený pozorovatel odečítá jeho měření.

Studie publikovaná v časopise Journal of High Energy Physics přinesla jasnou odpověď: lokální fyzika Josephsonova jevu zůstává nedotčena. Gravitace místo toho mění „překlad“ mezi měřeními provedenými přímo u obvodu a měřeními přiřazenými pozorovatelem daleko od černé díry. Josephsonův spoj přenáší proud prostřednictvím kolektivní kvantové fáze spárovaných elektronů. Bez aplikovaného napětí může udržovat stabilní supraproud, jehož síla závisí na fázovém rozdílu přes bariéru. Při konstantním napětí fáze osciluje na frekvenci určené napětím.

V běžné laboratoři se obvykle používá jeden sdílený čas. Zakřivený časoprostor tuto výhodu odstraňuje, protože hodiny hlouběji v gravitačním poli běží pomaleji ve srovnání s těmi vzdálenějšími. Energie, napětí a frekvence proto musí být vázány na pozorovatele, který je měří. Vědci při tvorbě popisu vycházeli z kalibračně invariantní hybnosti kondenzátu a zachovaného elektrického proudu a aplikovali tento rámec na statický exteriér Schwarzschildovy černé díry, což je idealizovaný časoprostor vně nerotující sférické hmoty.

Klíčovou veličinou je gravitační rudý posuv, konvenčně označovaný jako faktor alfa. Ten se blíží jedné daleko od černé díry a klesá k nule u horizontu událostí. Vědec u vznášejícího se spoje používá vlastní čas a měří obvyklé Josephsonovy vztahy. Vzdálený pozorovatel však používá jiné hodiny a přiřazuje rudě posunutá napětí a frekvence. Například kritický proud přiřazený v nekonečnu obsahuje jeden faktor alfa, zatímco výkon obsahuje dva. První faktor odráží rychlost, s jakou náboj prochází spojem za jednotku vzdáleného času. Výkon zahrnuje tento časový efekt a dodatečný rudý posuv energie. Jak se spoj umisťuje hlouběji do gravitačního pole, jeho vzdálené měření proudu klesá a jeho vzdálené měření výkonu klesá ještě rychleji.

Tento teoretický model, který není návrhem experimentu v blízkosti horizontu událostí, prohlubuje naše chápání interakce mezi kvantovou mechanikou a obecnou teorií relativity. Ukazuje, že gravitační pole mění způsob, jakým porovnáváme měření na různých gravitačních potenciálech, nikoli samotnou podstatu supravodivosti. To má význam pro budoucí teoretické modely a může mít dlouhodobé implikace pro kvantové technologie a astrofyziku.