In prossimità di un buco nero, la gravità cambia le letture di un circuito quantistico, non le sue regole

In prossimità di un buco nero, la gravità altera le letture di un circuito quantistico ma non ne altera le regole fondamentali, secondo un recente studio pubblicato sul Journal of High Energy Physics. I ricercatori hanno esplorato come i campi gravitazionali estremi influenzino i fenomeni quantistici utilizzando una giunzione di Josephson, un dispositivo quantistico altamente sensibile composto da due superconduttori separati da uno strato isolante. I loro risultati suggeriscono che mentre le leggi fisiche che regolano tali dispositivi rimangono invariate, il modo in cui questi effetti vengono osservati a distanza è significativamente influenzato dal redshift gravitazionale.

Il gruppo di ricerca si è concentrato su un modello teorico che coinvolge una giunzione di Josephson posizionata in un punto fisso al di fuori di un buco nero non rotante. In condizioni normali, tale giunzione opera sotto relazioni quantistiche ben definite, in cui la tensione si traduce direttamente in oscillazioni della fase quantistica delle coppie di elettroni. Tuttavia, nelle vicinanze di un oggetto massiccio come un buco nero, la curvatura dello spazio-tempo introduce complicazioni. Gli orologi funzionano più lentamente in campi gravitazionali più forti, il che significa che gli osservatori situati lontano dal buco nero percepirebbero differenze sia nella frequenza che nella tensione dei segnali originari più vicini all'orizzonte degli eventi.

Per affrontare queste complessità, i ricercatori hanno costruito la loro analisi attorno a quantità invarianti di calibro, assicurando la coerenza nella descrizione dei processi fisici nonostante le varie influenze gravitazionali. Hanno applicato questo framework specificamente all'esterno statico di un buco nero di Schwarzschild, un modello idealizzato che rappresenta lo spazio-tempo al di fuori di una massa non rotante, sfericamente simmetrica.

Rappresentato matematicamente da un fattore denominato alfa, descrive come la luce, o in questo caso, i segnali quantistici, perdono energia mentre escono da un profondo pozzo gravitazionale. Lontano dal buco nero, alfa è quasi uno, indicando una distorsione minima. Ma man mano che la giunzione si avvicina all'orizzonte degli eventi, alfa diminuisce, riflettendo il crescente spostamento verso il rosso dei segnali rilevati da un osservatore distante. Dal punto di vista di qualcuno che si trova accanto alla giunzione, la fisica locale rimane inalterata. Le relazioni di Josephson, come la tensione si riferisce alla frequenza e alla corrente, sono vere all'interno dell'ambiente immediato del dispositivo.

Tuttavia, un osservatore distante, utilizzando un diverso quadro di riferimento, vedrebbe una versione rossastro di queste misurazioni. I valori di tensione e frequenza registrati dall'osservatore remoto sono ridotti dal fattore di rossastro corrispondente alla posizione della giunzione. Questa scala influenza il modo in cui la corrente e la potenza sono percepite da lontano. Per esempio, la corrente critica, la corrente massima che una giunzione di Josephson può trasportare senza resistenza, misurata a una grande distanza incorpora un fattore di alfa. Nel frattempo, la potenza associata alla giunzione, che coinvolge sia la corrente che la tensione, è influenzata da alfa al quadrato.

Questi aggiustamenti riflettono l'interazione tra il potenziale gravitazionale e il trasferimento di energia attraverso la giunzione. Man mano che la giunzione viene posizionata più profondamente nel campo gravitazionale, la sua corrente apparente e la sua potenza diminuiscono dal punto di vista di un osservatore distante. Questa distinzione è cruciale perché separa il comportamento intrinseco dei sistemi quantistici dalle sfide osservazionali introdotte dalla relatività generale. Lo studio sottolinea che i principi che governano la superconduttività e l'interferenza quantistica rimangono coerenti anche in ambienti estremi. Ciò che cambia è l'interpretazione di tali principi in base alla posizione dell'osservatore e agli effetti relativistici della gravità.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre la fisica teorica. Comprendere come i dispositivi quantistici si comportano in forti campi gravitazionali potrebbe informare i futuri esperimenti in osservatori spaziali o in ambienti vicini a buchi neri. Mentre lo studio attuale è puramente teorico e non è inteso come un progetto per impostazioni sperimentali vicino a un buco nero, fornisce una base per esplorare l'intersezione della meccanica quantistica e della relatività generale.