„Magia” kwantowa i chaos czarnych dziur mogą pomóc wyjaśnić pochodzenie czasoprzestrzeni

Fizycy po raz pierwszy łączą kwantową właściwość magii z chaotyczną naturą czarnych dziur.

Nowa analiza matematyczna przeprowadzona przez trzech fizyków z RIKEN sugeruje, że właściwość kwantowa zwana „magią” może być kluczem do wyjaśnienia, w jaki sposób powstaje przestrzeń i czas.

Trudno wyobrazić sobie coś bardziej fundamentalnego niż struktura czasoprzestrzeni leżąca u podstaw wszechświata, ale fizycy teoretyczni kwestionują to założenie. „Fizyków od dawna fascynowała możliwość, że przestrzeń i czas nie są fundamentalne, ale raczej wywodzą się z czegoś głębszego” – mówi Kanato Goto z Interdyscyplinarnych Nauk Teoretycznych i Matematycznych RIKEN (iTHEMS).

Widok supermasywnej czarnej dziury M87. Fizycy teoretyczni z RIKEN po raz pierwszy połączyli chaotyczną naturę czarnych dziur z kwantowymi właściwościami magii. Źródło: Współpraca EHT

Pomysł ten zyskał na popularności w latach 90., kiedy fizyk teoretyczny Juan Maldacena połączył teorię grawitacji rządzącej czasoprzestrzenią z teorią dotyczącą cząstek kwantowych. W szczególności wyobraź sobie hipotetyczną przestrzeń – którą można wyobrazić sobie jako otoczoną czymś w rodzaju nieskończonej puszki zupy lub „gromadą” – która zawiera rzeczy takie jak czarne dziury, na które działa grawitacja. Maldacena wyobraził sobie również cząstki poruszające się po powierzchni puszki, kontrolowane przez mechanikę kwantową. Zdał sobie sprawę, że teoria kwantowa używana do opisu cząstek na granicy w matematyce jest równoważna z teorią grawitacji opisującą czarne dziury i czasoprzestrzeń wewnątrz gromady.

„Ta zależność wskazuje, że sama czasoprzestrzeń zasadniczo nie istnieje, ale raczej wyłania się z jakiejś natury kwantowej” – mówi Goto. Fizycy próbują zrozumieć, która właściwość kwantowa jest kluczowa.

Kanato Goto i dwaj współpracownicy przeprowadzili analizę za pomocą tuneli czasoprzestrzennych, która rzuca światło na paradoks informacyjny czarnej dziury. Źródło: © 2022 RIKEN

Pierwotnie myślano, że splątanie kwantowe – które łączy cząstki bez względu na to, jak daleko są od siebie – jest najważniejszym czynnikiem: im bardziej splątane cząstki na granicy, tym gładsza czasoprzestrzeń w gromadzie.

„Jednak samo spojrzenie na stopień splątania na granicy nie może wyjaśnić wszystkich właściwości czarnych dziur, na przykład tego, jak mogą rosnąć ich wnętrza” – mówi Guto.

Tak więc Goto i jego koledzy z iTHEMS, Tomoki Nosaka i Masahiro Nozaki, szukali innego kwantowego, który mógłby odnosić się do reżimu granicznego i który mógłby być również odwzorowany na masę, aby pełniej opisać czarne dziury. W szczególności zauważyli, że czarne dziury mają chaotyczną właściwość, która wymaga opisu.

Kiedy coś wrzucisz[{” attribute=””>black hole, information about it gets scrambled and cannot be recovered,” says Goto. “This scrambling is a manifestation of chaos.”

The team came across ‘magic’, which is a mathematical measure of how difficult a quantum state is to simulate using an ordinary classical (non-quantum) computer. Their calculations showed that in a chaotic system almost any state will evolve into one that is ‘maximally magical’—the most difficult to simulate.

This provides the first direct link between the quantum property of magic and the chaotic nature of black holes. “This finding suggests that magic is strongly involved in the emergence of spacetime,” says Goto.

Reference: “Probing chaos by magic monotones” by Kanato Goto, Tomoki Nosaka and Masahiro Nozaki, 19 December 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009