A kvantummágia és a fekete lyuk káosz segíthet megmagyarázni a téridő eredetét

A fizikusok először kapcsolják össze a mágia kvantumtulajdonságát a fekete lyukak kaotikus természetével.

A RIKEN három fizikusa által készített új matematikai elemzés azt sugallja, hogy a „mágia” elnevezésű kvantumtulajdonság lehet a kulcs a tér és az idő keletkezésének magyarázatához.

Nehéz elképzelni bármi alapvetőbbet, mint a világegyetem alapját képező téridő szövet, de az elméleti fizikusok megkérdőjelezik ezt a feltevést. „A fizikusokat régóta lenyűgözi az a lehetőség, hogy a tér és az idő nem alapvető, hanem valami mélyebb dologból származnak” – mondja Kanato Goto, a RIKEN interdiszciplináris elméleti és matematikai tudományainak (iTHEMS) munkatársa.

Az M87 szupermasszív fekete lyuk képe. A RIKEN elméleti fizikusai először kapcsolták össze a fekete lyukak kaotikus természetét a mágia kvantumtulajdonságával. Kredit: EHT Collaboration

Ez az ötlet az 1990-es években kapott lendületet, amikor Juan Maldacena elméleti fizikus összekapcsolta a téridőt szabályozó gravitáció elméletét a kvantumrészecskéket magában foglaló elmélettel. Konkrétan képzeljünk el egy hipotetikus teret – amelyet úgy képzelhetünk el, hogy valami végtelen leveskonzerv vagy „csomó” veszi körül –, amely olyan dolgokat tartalmaz, mint például a gravitáció által érintett fekete lyukak. Maldacena azt is elképzelte, hogy részecskék mozognak egy doboz felületén, kvantummechanika által irányítva. Felismerte, hogy a határokon lévő részecskék leírására használt kvantumelmélet a matematikában egyenértékű a fekete lyukakat és a halmazon belüli téridőt leíró gravitációs elmélettel.

„Ez a kapcsolat azt jelzi, hogy maga a téridő lényegében nem létezik, hanem valamilyen kvantumtermészetből származik” – mondja Goto. A fizikusok megpróbálják megérteni, hogy melyik kvantumtulajdonság a kulcsfontosságú.

Kanato Goto és két kollégája féreglyukak segítségével végzett elemzést, amely rávilágít a fekete lyuk információs paradoxonjára. Jóváírás: © 2022 RIKEN

Az eredeti gondolat az volt, hogy a kvantumösszefonódás – amely összeköti a részecskéket, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak egymástól – volt a legfontosabb tényező: minél több részecskék van összegabalyodva a határon, annál simább a téridő a klaszteren belül.

„De pusztán a határon lévő összefonódás mértékét tekintve nem lehet megmagyarázni a fekete lyukak összes tulajdonságát, például azt, hogy miként nőhet a belsejük” – mondja Guto.

Tehát Goto és iTHEMS kollégái, Tomoki Nosaka és Masahiro Nozaki egy másik kvantumot kerestek, amely alkalmazható lenne a határrendszerre, és a tömegre is leképezhető a fekete lyukak részletesebb leírására. Különösképpen megjegyezték, hogy a fekete lyukak kaotikus tulajdonsággal rendelkeznek, amelyet le kell írni.

Amikor bedobsz valamit[{” 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