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

Nos cantos silenciosos da física moderna, onde as regras do muito grande encontram as regras do muito pequeno, os cientistas estão constantemente testando como a gravidade e a eletricidade interagem. Há décadas, sabemos que a gravidade desvia a luz e retarda o tempo, um fenômeno tão bem estabelecido que é essencial para que o GPS de nossos telefones funcione corretamente. Também sabemos que os supercondutores, materiais que conduzem eletricidade com resistência zero, podem carregar uma corrente que depende de um ritmo quântico oculto chamado fase. Quando dois supercondutores são separados por uma barreira minúscula, esse ritmo cria um tipo especial de corrente que é incrivelmente sensível ao seu entorno. A pergunta que os pesquisadores há muito se fazem é: o que acontece com esse delicado ritmo quântico quando ele é colocado na gravidade extrema de um buraco negro? A força esmagadora da estrela altera a forma como a eletricidade flui, ou como o tempo é medido?

Uma equipe de físicos mapeou agora exatamente como esse ritmo quântico se comporta em um modelo teórico específico de uma estrela em colapso. Eles não construíram um buraco negro físico em um laboratório; em vez disso, usaram matemática avançada para simular um buraco negro que altera suas propriedades à medida que você se aproxima de seu centro, um conceito conhecido como gravidade dependente de escala. Em seu modelo, a estrela colapsa exatamente como faria na física padrão, mas a própria gravidade evolui, criando um cenário complexo de horizontes e um núcleo central que é suave em vez de infinitamente agudo. Os pesquisadores então colocaram uma junção supercondutora teórica — uma pequena ponte onde essa corrente quântica flui — neste ambiente. Eles rastrearam como a corrente, a voltagem e o tempo do sinal pareceriam para um observador distante no espaço, em comparação com um observador caindo com a estrela em colapso.

O estudo revela que a gravidade age como um filtro sobre a informação vinda do supercondutor. Quando a junção é mantida parada perto do buraco negro, a frequência do ritmo quântico e a quantidade de corrente que ela carrega são reduzidas por um fator relacionado ao quanto o tempo é retardado naquela localização. No entanto, a potência, ou a energia carregada pelo sinal, é reduzida ainda mais, pelo quadrado desse fator. Isso significa que, à medida que a junção se aproxima do horizonte de eventos, o sinal que chega a um observador distante torna-se mais fraco e mais lento de uma maneira específica e previsível. Os pesquisadores descobriram que, se a junção estiver, em vez disso, caindo com a estrela em colapso, a história muda. O sinal recebido por um observador distante não é apenas retardado pela gravidade do buraco negro; é também alterado pelo movimento da junção em queda. A combinação da gravidade da estrela e da velocidade da junção cria uma assinatura única que distingue um relógio em queda de um relógio estacionário.

Uma das descobertas mais impressionantes diz respeito ao tempo que um sinal leva para viajar de perto do buraco negro para o mundo exterior. À medida que a junção se aproxima da borda do buraco negro, o atraso de tempo para um sinal escapar cresce logaritmicamente, o que significa que aumenta muito rapidamente, mas em uma curva suave. Os pesquisadores calcularam a forma matemática exata deste atraso e descobriram algo surpreendente sobre a própria borda do buraco negro. Se o buraco negro estiver em um estado onde sua gravidade está em seu limite máximo possível, o atraso não apenas cresce; ele muda seu comportamento inteiramente. Em vez de seguir a curva suave de um burço negro normal, o atraso segue uma regra diferente e mais aguda. Essa transição de uma curva suave para uma regra aguda ocorre apenas se o observador permanecer a uma distância fixa do horizonte; se ele cair, as regras mudam novamente. Essa distinção é crucial porque mostra que a maneira como medimos o tempo e a distância perto de um buraco negro depende inteiramente de como estamos nos movendo.

A equipe também explorou como esses efeitos pareceriam em um dispositivo conhecido como dispositivo de interferência quântica supercondutora, ou SQUID, que é usado para detectar campos magnéticos minúsculos. Eles descobriram que, se os dois braços do dispositivo estiverem a diferentes distâncias do buraco negro, a gravidade cria um desequilíbrio no sinal. Esse desequilíbrio altera a altura dos picos no padrão do sinal, mas não desloca a posição dos picos, desde que o dispositivo seja pequeno o suficiente. No entanto, se o dispositivo for impulsionado por micro-ondas, o tempo que as ondas levam para viajar através dos diferentes braços cria um deslocamento no padrão. Este deslocamento não é causado pela gravidade em si, mas pela diferença no tempo de viagem, e só aparece se o dispositivo for permitido ajustar seu fluxo magnético interno dinamicamente. Essa distinção ajuda os cientistas a entender como separar os efeitos da gravidade dos efeitos do movimento e do tempo em experimentos futuros.

Talvez o resultado mais profundo envolva o calor e o ruído associados ao buraco negro. Em um estado de equilíbrio térmico, o buraco negro irradia uma temperatura específica que depende de sua gravidade. Os pesquisadores descobriram que o ruído gerado pela junção supercondutora, quando medido por um observador distante, é completamente independente de quão perto a junção está do buraco negro. O retardamento do tempo perto do horizonte e o efeito de aquecimento do buraco negro se cancelam perfeitamente. Isso leva a uma relação universal entre o tempo que um sinal leva para escapar e a quantidade de ruído no sistema. Essa relação é tão precisa que não depende de quaisquer detalhes específicos do buraco negro ou da junção, oferecendo uma maneira potencial de testar as leis fundamentais da física sem precisar saber a massa ou o tamanho exato do buraco negro.

O estudo também estabelece um limite rígido sobre o quão perto um supercondutor real poderia chegar de um buraco negro. Como o buraco negro irradia calor, a temperatura perto do horizonte torna-se incrivelmente alta. Os pesquisadores calcularam que, para qualquer material supercondutor conhecido, existe uma distância mínima do horizonte onde o material simplesmente derreteria e perderia suas propriedades supercondutoras. Esta zona de exclusão é determinada apenas pela própria temperatura crítica do material e pelas constantes fundamentais da natureza, não pelo tamanho do buraco negro. Para um supercondutor típico, essa distância é de cerca de algumas centenas de micrômetros do horizonte. Isso significa que, embora os efeitos teóricos sejam fascinantes, colocar um dispositivo real exatamente na borda de um buraco negro é fisicamente impossível porque o calor o destruiria muito antes que os efeitos quânticos pudessem ser medidos.

Finalmente, os pesquisadores conectaram suas descobertas à "sombra" de um buraco negro, que é a silhueta escura vista contra o fundo de luz. Eles mostraram que o mesmo fator que altera a corrente supercondutora também altera o tamanho da sombra do buraco negro. Ao medir tanto a sombra quanto o sinal supercondutor, os cientistas poderiam potencialmente verificar a consistência nas leis da gravidade sem precisar saber o valor exato do parâmetro de gravidade variável. Isso cria uma nova maneira de testar teorias da gravidade que vão além das equações originais de Einstein. Embora esses cenários sejam atualmente teóricos e se apliquem a modelos de estrelas em colapso em vez de aos buracos negros que vemos no céu, o trabalho fornece um roteiro matemático claro de como a matéria quântica se comporta nos ambientes gravitacionais mais extremos imagináveis. Sugere que, se pudéssemos construir um detector sensível o suficiente para sobreviver ao calor, o próprio buraco negro atuaria como um laboratório gigante e natural para testar as conexões mais profundas entre tempo, gravidade e mecânica quântica.