Квантовата „магия“ и хаосът в черните дупки могат да помогнат да се обясни произходът на пространство-времето

Физиците за първи път свързват квантовото свойство на магията с хаотичната природа на черните дупки.

Нов математически анализ от трима физици от RIKEN предполага, че квантово свойство, наречено „магия“, може да бъде ключът към обяснението как възникват пространството и времето.

Трудно е да си представим нещо по-фундаментално от тъканта на пространство-времето, която е в основата на Вселената, но теоретичните физици поставят под въпрос това предположение. „Физиците отдавна са очаровани от възможността, че пространството и времето не са фундаментални, а по-скоро произлизат от нещо по-дълбоко“, казва Канато Гото от Интердисциплинарните теоретични и математически науки (iTHEMS) на RIKEN.

Изглед на свръхмасивната черна дупка M87. Физиците-теоретици на RIKEN за първи път свързаха хаотичната природа на черните дупки с квантовите свойства на магията. Кредит: EHT Collaboration

Тази идея получи тласък през 90-те години на миналия век, когато теоретичният физик Хуан Малдасена свърза теорията за гравитацията, която управлява пространство-времето, с теория, включваща квантовите частици. По-конкретно, представете си хипотетично пространство – което може да бъде представено като заобиколено от нещо като безкрайна кутия за супа или „клъстер“ – което съдържа неща като черни дупки, които са засегнати от гравитацията. Малдасена също си представя частици, движещи се по повърхността на кутия, контролирани от квантовата механика. Той осъзна, че квантовата теория, използвана за описание на частиците на границата в математиката, е еквивалентна на гравитационната теория, описваща черните дупки и пространство-времето в клъстер.

„Тази връзка показва, че самото пространство-време по същество не съществува, а по-скоро възниква от някаква квантова природа“, казва Гото. Физиците се опитват да разберат кое квантово свойство е ключово.

Канато Гото и двама колеги са извършили анализ с помощта на червееви дупки, който хвърля светлина върху информационния парадокс на черната дупка. Кредит: © 2022 RIKEN

Първоначалната мисъл беше, че квантовото заплитане – което свързва частиците, без значение колко далеч са те – е най-важният фактор: колкото по-заплетени частици са на границата, толкова по-гладко е пространство-времето в клъстера.

„Но само гледането на степента на заплитане на границата не може да обясни всички свойства на черните дупки, например как техните вътрешности могат да растат“, казва Гуто.

Така Гото и неговите колеги от iTHEMS Томоки Носака и Масахиро Нозаки потърсиха друг квант, който може да се приложи към граничния режим и може също да бъде картографиран към масата, за да опише по-пълно черните дупки. По-специално, те отбелязаха, че черните дупки имат хаотично свойство, което се нуждае от описание.

Когато хвърлите нещо[{“ 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