Fizikai pirmą kartą susieja kvantinę magijos savybę su juodųjų skylių chaotiškumu.

Nauja trijų RIKEN fizikų matematinė analizė rodo, kad kvantinė savybė, pavadinta „magija“, gali būti raktas, paaiškinantis, kaip atsiranda erdvė ir laikas.

Sunku įsivaizduoti ką nors svarbesnio už erdvės-laiko audinį, kuriuo grindžiama visata, tačiau teoriniai fizikai abejoja šia prielaida. „Fizikus jau seniai žavi galimybė, kad erdvė ir laikas nėra esminiai, o išvesti iš kažko gilesnio“, – sako Kanato Goto iš RIKEN tarpdisciplininių teorinių ir matematinių mokslų (iTHEMS).

Supermasyvios juodosios skylės M87 vaizdas. RIKEN teoriniai fizikai pirmą kartą susiejo juodųjų skylių chaotiškumą su magijos kvantine savybe. Kreditas: EHT Collaboration

Ši idėja sulaukė postūmio 1990-aisiais, kai teorinis fizikas Juanas Maldacena sujungė gravitacijos teoriją, kuri valdo erdvę ir laiką, su teorija, susijusia su kvantinėmis dalelėmis. Visų pirma įsivaizduokite hipotetinę erdvę, kurią būtų galima įsivaizduoti kaip apsuptą begalinės sriubos skardinės arba „spiečiaus“, kurioje yra gravitacijos veikiamos juodosios skylės. Maldacena taip pat įsivaizdavo daleles, judančias skardinės paviršiumi, valdomas kvantinės mechanikos. Jis suprato, kad kvantinė teorija, naudojama apibūdinti daleles prie ribos matematikoje, yra lygiavertė gravitacinei teorijai, apibūdinančiai juodąsias skyles ir erdvėlaikį klasteryje.

„Šis ryšys rodo, kad pats erdvėlaikis iš esmės neegzistuoja, o atsiranda iš tam tikros kvantinės prigimties“, – sako Goto. Fizikai bando suprasti, kuri kvantinė savybė yra pagrindinė.

Kanato Goto ir du kolegos atliko analizę naudodami kirmgraužas, kurios atskleidžia juodosios skylės informacijos paradoksą. Kreditas: © 2022 RIKEN

Pirminė mintis buvo ta, kad kvantinis įsipainiojimas, jungiantis daleles, kad ir koks toli vienas nuo kito būtų, buvo svarbiausias veiksnys: kuo labiau susipainiojusios dalelės ties riba, tuo sklandesnis erdvės laikas klasteryje.

„Tačiau vien žiūrint į įsipainiojimo laipsnį ties riba negali paaiškinti visų juodųjų skylių savybių, pavyzdžiui, kaip gali augti jų vidus“, – sako Guto.

Taigi Goto ir jo iTHEMS kolegos Tomoki Nosaka ir Masahiro Nozaki ieškojo kito kvanto, kuris galėtų būti taikomas ribiniam režimui ir taip pat galėtų būti susietas su masei, kad būtų galima išsamiau apibūdinti juodąsias skyles. Visų pirma, jie pažymėjo, kad juodosios skylės turi chaotišką savybę, kurią reikia aprašyti.

Kai ką nors įmeti[{” 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