Josephson interferometry in an Oppenheimer--Snyder-like scale-dependent black-hole spacetime

Negli angoli silenziosi della fisica moderna, dove le regole del molto grande incontrano le regole del molto piccolo, gli scienziati testano costantemente come la gravità e l'elettricità interagiscano. Da decenni sappiamo che la gravità piega la luce e rallenta il tempo, un fenomeno così ben stabilito da essere essenziale affinché il GPS nei nostri telefoni funzioni correttamente. Sappiamo anche che i superconduttori, materiali che conducono elettricità con resistenza zero, possono trasportare una corrente che dipende da un ritmo quantistico nascosto chiamato fase. Quando due superconduttori sono separati da una minuscola barriera, questo ritmo crea un tipo speciale di corrente che è incredibilmente sensibile al suo ambiente. La domanda che i ricercatori si sono posti a lungo è: cosa succede a questo delicato ritmo quantistico quando viene posto nella gravità estrema di un buco nero? La forza schiacciante della stella cambia il modo in cui l'elettricità scorre, o il modo in cui il tempo viene misurato?

Un team di fisici ha ora mappato esattamente come questo ritmo quantistico si comporta in un modello specifico e teorico di una stella in collasso. Non hanno costruito un buco nero fisico in laboratorio; hanno invece utilizzato la matematica avanzata per simulare un buco nero che cambia le proprie proprietà man mano che ci si avvicina al suo centro, un concetto noto come gravità dipendente dalla scala. Nel loro modello, la stella collassa proprio come farebbe nella fisica standard, ma la gravità stessa evolve, creando un paesaggio complesso di orizzonti e un nucleo centrale che è fluido piuttosto che infinitamente acuto. I ricercatori hanno poi posizionato una giunzione superconduttrice teorica — un piccolo ponte dove scorre questa corrente quantistica — in questo ambiente. Hanno tracciato come la corrente, la tensione e la temporizzazione del segnale apparirebbero a un osservatore lontano nello spazio, rispetto a un osservatore che cade insieme alla stella in collasso.

Lo studio rivela che la gravità agisce come un filtro sull'informazione proveniente dal superconduttore. Quando la giunzione è mantenuta ferma vicino al buco nero, la frequenza del ritmo quantistico e la quantità di corrente che trasporta sono ridotte da un fattore correlato a quanto il tempo viene rallentato in quella posizione. Tuttavia, la potenza, ovvero l'energia trasportata dal segnale, è ridotta ancora di più, per il quadrato di quel fattore. Ciò significa che, man mano che la giunzione si avvicina all'orizzonte degli eventi, il segnale che raggiunge un osservatore distante diventa più debole e lento in un modo molto specifico e prevedibile. I ricercatori hanno scoperto che se la giunzione, invece, cade insieme alla stella in collasso, la storia cambia. Il segnale ricevuto da un osservatore distante non è solo rallentato dalla gravità del buco nero; è anche alterato dal movimento della giunzione in caduta. La combinazione della gravità della stella e della velocità della giunzione crea una firma unica che distingue un orologio in caduta da uno stazionario.

Uno dei risultati più sorprendenti riguarda il tempo necessario affinché un segamento viaggi da vicino al buco nero verso il mondo esterno. Man mano che la giunzione si avvicina al bordo del buco nero, il ritardo temporale per la fuga di un segnale cresce in modo logaritmico, il che significa che aumenta molto rapidamente ma seguendo una curva fluida. I ricercatori hanno calcolato la forma matematica esatta di questo ritardo e hanno scoperto qualcosa di sorprendente proprio al limite del buco nero. Se il buco nero si trova in uno stato in cui la sua gravità è al suo limite massimo possibile, il ritardo non si limita a crescere; cambia completamente comportamento. Invece di seguire la curva fluida di un normale buco nero, il ritardo segue una regola diversa e più netta. Questo passaggio da una curva fluida a una regola netta avviene solo se l'osservatore rimane a una distanza fissa dall'orizzonte; se si cade all'interno, le regole cambiano di nuovo. Questa distinzione è cruciale perché dimostra che il modo in cui misuriamo il tempo e la distanza vicino a un buco nero dipende interamente da come ci stiamo muovendo.

Il team ha anche esplorato come questi effetti apparirebbero in un dispositivo noto come interferometro quantistico superconduttore, o SQUID, utilizzato per rilevare campi magnetici minuscoli. Hanno scoperto che se le due braccia del dispositivo si trovano a diverse distanze dal buco nero, la gravità crea uno squilibrio nel segnale. Questo squilibrio cambia l'altezza dei picchi nel pattern del segnale ma non sposta la posizione dei picchi stessi, a condizione che il dispositivo sia sufficientemente piccolo. Tuttavia, se il dispositivo è pilotato da microonde, il tempo necessario affinché le onde viaggino attraverso le diverse braccia crea uno spostamento nel pattern. Questo spostamento non è causato dalla gravità stessa, ma dalla differenza nel tempo di percorrenza, e appare solo se il dispositivo è permesso di regolare il proprio flusso magnetico interno in modo dinamico. Questa distinzione aiuta gli scienziati a capire come separare gli effetti della gravità da quelli del moto e della temporizzazione in esperimenti futuri.

Forse il risultato più profondo riguarda il calore e il rumore associati al buco nero. In uno stato di equilibrio termico, un buco nero irradia una temperatura specifica che dipende dalla sua gravità. I ricercatori hanno scoperto che il rumore generato dalla giunzione superconduttrice, quando misurato da un osservatore distante, è completamente indipendente da quanto la giunzione sia vicina al buco nero. Il rallentamento del tempo vicino all'orizzonte e l'effetto di riscaldamento del buco nero si cancellano perfettamente a vicenda. Ciò porta a una relazione universale tra il tempo necessario affinché un segnale scappi e la quantità di rumore nel sistema. Questa relazione è così precisa che non dipende da alcun dettaglio specifico del buco nero o della giunzione, offrendo un potenziale modo per testare le leggi fondamentali della fisica senza dover conoscere la massa o la dimensione esatta del buco nero.

Lo studio stabilisce anche un limite netto su quanto vicino un vero superconduttore possa mai avvicinarsi a un buco nero. Poiché il buco nero irradia calore, la temperatura vicino all'orizzonte diventa incredibilmente alta. I ricercatori hanno calcolato che, per qualsiasi materiale superconduttore noto, esiste una distanza minima dall'orizzonte in cui il materiale semplicemente si scioglierebbe e perderebbe le sue proprietà superconduttive. Questa zona di esclusione è determinata solo dalla propria temperatura critica del materiale e dalle costanti fondamentali della natura, non dalle dimensioni del buco nero. Per un tipico superconduttore, questa distanza è di circa poche centinaia di micrometri dall'orizzonte. Ciò significa che, sebbene gli effetti teorici siano affascinanti, posizionare un vero dispositivo proprio al bordo di un buco nero è fisicamente impossibile perché il calore lo distruggerebbe molto prima che gli effetti quantistici possano essere misurati.

Infine, i ricercatori hanno collegato le loro scoperte all' "ombra" di un buco nero, ovvero la silhouette scura visibile contro lo sfondo della luce. Hanno dimostrato che lo stesso fattore che modifica la corrente superconduttrice modifica anche la dimensione dell'ombra del buco nero. Misurando sia l'ombra che il segnale superconduttore, gli scienziati potrebbero potenzialmente verificare la coerenza delle leggi della gravità senza dover conoscere il valore esatto del parametro di gravità variabile. Questo crea un nuovo modo per testare le teorie della gravità che vanno oltre le equazioni originali di Einstein. Sebbene questi scenari siano attualmente teorici e si applichino a modelli di stelle in collasso piuttosto che ai buchi neri che vediamo nel cielo, il lavoro fornisce un chiaro schema matematico su come la materia quantistica si comporti negli ambienti gravitazionali più estremi immaginabili. Suggerisce che, se potessimo mai costruire un rilevatore abbastanza sensibile da sopravvivere al calore, il buco nero stesso agirebbe come un enorme laboratorio naturale per testare le connessioni più profonde tra tempo, gravità e meccanica quantistica.