大规模叠加：使用 NightCafe Creator AI 创建的质量量化黑洞的插图。(礼貌：昆士兰大学)

量子叠加不仅是亚原子粒子的特性，也是宇宙中最大质量物体的特性。这是澳大利亚和加拿大的四位理论物理学家得出的结论，他们计算了距离黑洞一定距离的粒子探测器的假设响应。研究人员表示，探测器将看到时空叠加的新迹象，这意味着黑洞可能同时具有两种不同的质量。

黑洞是在恒星等质量极大的物体坍缩成一个奇点时形成的——一个密度无限大的点。黑洞的引力场非常大，任何东西都无法逃脱它的魔掌，连光也不例外。这在奇点周围形成了一个球形空间区域，该区域与宇宙的其余部分完全隔绝，并以所谓的事件视界为界。

黑洞物理学的一个活跃研究领域旨在发展一种一致的量子引力理论。这是理论物理学的一个重要目标，它将调和量子力学和爱因斯坦的广义相对论。特别是，通过考虑量子叠加中的黑洞，物理学家希望深入了解时空的量子性质。

安鲁德威特检测器

昆士兰大学的Joshua Foo和Magdalena Zych 以及滑铁卢大学的Cemile Arabaci和Robert Mann在《物理评论快报》中报道的最新工作中概述了他们所说的研究时空叠加的新操作框架。他们没有使用“自上而下”的方法来量化广义相对论，而是考虑黑洞的量子态对称为 Unruh-deWitt 探测器的特定物理设备行为的影响。

这是一个假设的设备，包含一个双态系统，例如盒子中的一个粒子，耦合到一个量子场。当处于低能量状态并暴露于恰到好处频率的电磁辐射时，系统会跳到更高的状态并发出“咔哒”声。

理论上，这种探测器可用于测量Unruh 辐射，这是一种粒子热浴，预计会从量子真空出现在加速穿过太空的观察者面前。在新研究提出的场景中，它会捕获霍金辐射。据预测，当量子真空中的虚粒子-反粒子对在黑洞的事件视界被撕裂时，就会产生这种辐射——然后反粒子消失在空洞中，而粒子则发射到周围的空间中。

在他们的思想实验中，四人组设想了一个位于黑洞事件视界外特定点的安鲁-德威特探测器，探测器的固定位置通过远离黑洞的加速度实现，从而产生霍金辐射。研究人员考虑了黑洞质量叠加对探测器输出的影响。

距离叠加

正如他们解释的那样，这两个质量对广义相对论的场方程产生了不同的解，从而产生了不同的时空。由此产生的时空叠加反过来又使探测器处于距事件视界的距离叠加状态，从而创建了一个有效的干涉仪，其每条臂都与一个黑洞质量相关联。检测器发出咔哒声的概率取决于叠加中存在哪些质量。

物理学家通过 Banados-Teitelboim-Zanelli 公式对一个在两个空间维度上描述的相对简单的黑洞进行计算，获得了惊人的结果。他们绘制了检测到黑洞发射粒子的概率与叠加质量比的平方根的函数关系，并在这些值等于 1/ n时发现了尖峰，其中n为整数。

在模拟黑洞中发现纠缠霍金辐射

研究人员将这种行为归因于干涉仪臂中辐射之间的相长干涉，该干涉仪臂对应于美国-以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦在 1970 年代预测的黑洞质量。他证明了黑洞事件视界的表面积——以及它的质量——是一个绝热不变量。这是一种物理特性，在缓慢作用时保持不变，并导致质量被量化。

“这一结果为贝肯斯坦的猜想提供了独立的支持，”研究人员在《物理评论快报》中写道，“证明了探测器的激发概率如何能够揭示量子黑洞的真正量子引力特性”。

四位物理学家强调，他们的计算结果并未假设黑洞质量必须落在贝肯斯坦猜想所预测的离散带内。他们补充说，他们的技术可以扩展到在三个空间维度上对黑洞进行更复杂的描述，他们说，这将提供有关量子引力在我们宇宙中的影响的更多见解。