Η κβαντική «μαγεία» και το χάος της μαύρης τρύπας θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξήγηση της προέλευσης του χωροχρόνου

Οι φυσικοί για πρώτη φορά συνδέουν την κβαντική ιδιότητα της μαγείας με τη χαοτική φύση των μαύρων τρυπών.

Μια νέα μαθηματική ανάλυση από τρεις φυσικούς του RIKEN προτείνει ότι μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται «μαγεία» θα μπορούσε να είναι το κλειδί για να εξηγήσει πώς προκύπτουν ο χώρος και ο χρόνος.

Είναι δύσκολο να συλλάβουμε κάτι πιο θεμελιώδες από τον ιστό του χωροχρόνου που στηρίζει το σύμπαν, αλλά οι θεωρητικοί φυσικοί αμφισβητούν αυτή την υπόθεση. «Οι φυσικοί έχουν από καιρό γοητευθεί από την πιθανότητα ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι θεμελιώδεις, αλλά μάλλον προέρχονται από κάτι βαθύτερο», λέει ο Kanato Goto των Διεπιστημονικών Θεωρητικών και Μαθηματικών Επιστημών του RIKEN (iTHEMS).

Άποψη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας M87. Οι θεωρητικοί φυσικοί του RIKEN έχουν συνδέσει για πρώτη φορά τη χαοτική φύση των μαύρων τρυπών με την κβαντική ιδιότητα της μαγείας. Πίστωση: Συνεργασία EHT

Αυτή η ιδέα έλαβε ώθηση τη δεκαετία του 1990, όταν ο θεωρητικός φυσικός Juan Maldacena συνέδεσε τη θεωρία της βαρύτητας που διέπει τον χωροχρόνο με μια θεωρία που περιλαμβάνει κβαντικά σωματίδια. Ειδικότερα, φανταστείτε έναν υποθετικό χώρο – που θα μπορούσε να απεικονιστεί ως περιτριγυρισμένος από κάτι σαν ένα άπειρο κουτάκι σούπας ή “συστάδα” – που περιέχει πράγματα όπως μαύρες τρύπες που επηρεάζονται από τη βαρύτητα. Ο Maldacena φαντάστηκε επίσης σωματίδια που κινούνται στην επιφάνεια ενός κουτιού, ελεγχόμενα από την κβαντική μηχανική. Συνειδητοποίησε ότι η κβαντική θεωρία που χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τα σωματίδια στο όριο ήταν, μαθηματικά, ισοδύναμη με τη θεωρία της βαρύτητας που περιγράφει τις μαύρες τρύπες και τον χωροχρόνο μέσα σε ένα σμήνος.

“Αυτή η σχέση δείχνει ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος δεν υπάρχει ουσιαστικά, αλλά μάλλον αναδύεται από κάποια κβαντική φύση”, λέει ο Goto. Οι φυσικοί προσπαθούν να καταλάβουν ποια κβαντική ιδιότητα είναι το κλειδί.

Ο Kanato Goto και δύο συνάδελφοί του διεξήγαγαν μια ανάλυση χρησιμοποιώντας σκουληκότρυπες που ρίχνουν φως στο παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα. Πίστωση: © 2022 RIKEN

Η αρχική σκέψη ήταν ότι η κβαντική εμπλοκή – η οποία συνδέει τα σωματίδια ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μεταξύ τους – ήταν ο πιο σημαντικός παράγοντας: όσο περισσότερα μπλεγμένα σωματίδια στο όριο, τόσο πιο ομαλός ο χωροχρόνος μέσα στο σύμπλεγμα.

«Αλλά και μόνο η εξέταση του βαθμού εμπλοκής στα όρια δεν μπορεί να εξηγήσει όλες τις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, για παράδειγμα, πώς μπορεί να αναπτυχθεί το εσωτερικό τους», λέει ο Guto.

Έτσι, ο Goto και οι συνάδελφοί του στο iTHEMS, Tomoki Nosaka και Masahiro Nozaki, αναζήτησαν ένα άλλο κβάντο που θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο συνοριακό καθεστώς και θα μπορούσε επίσης να ανατεθεί σε μάζα για να περιγράψει πληρέστερα τις μαύρες τρύπες. Συγκεκριμένα, σημείωσαν ότι οι μαύρες τρύπες έχουν μια χαοτική ιδιότητα που χρειάζεται περιγραφή.

Όταν ρίχνεις κάτι μέσα[{” 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