„Magia” cuantică și haosul găurii negre ar putea ajuta la explicarea originii spațiu-timpului

Fizicienii leagă pentru prima dată proprietatea cuantică a magiei de natura haotică a găurilor negre.

O nouă analiză matematică realizată de trei fizicieni RIKEN sugerează că o proprietate cuantică numită „magie” ar putea fi cheia pentru a explica cum apar spațiul și timpul.

Este greu de conceput ceva mai fundamental decât țesătura spațiu-timp care stă la baza universului, dar fizicienii teoreticieni pun la îndoială această presupunere. „Fizicienii au fost mult timp fascinați de posibilitatea ca spațiul și timpul să nu fie fundamentale, ci mai degrabă derivate din ceva mai profund”, spune Kanato Goto de la RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS).

Vedere a găurii negre supermasive M87. Fizicienii teoreticieni RIKEN au legat pentru prima dată natura haotică a găurilor negre de proprietatea cuantică a magiei. Credit: Colaborare EHT

Această idee a primit un impuls în anii 1990, când fizicianul teoretician Juan Maldacena a conectat teoria gravitației care guvernează spațiu-timp cu o teorie care implică particule cuantice. În special, imaginați-vă un spațiu ipotetic – care ar putea fi imaginat ca fiind înconjurat de ceva ca o doză infinită de supă, sau „cluster” – care conține lucruri precum găurile negre care sunt afectate de gravitație. Maldacena și-a imaginat și particule care se mișcă pe suprafața unei cutii, controlate de mecanica cuantică. El a realizat că teoria cuantică folosită pentru a descrie particulele la graniță în matematică este echivalentă cu teoria gravitațională care descrie găurile negre și spațiul-timp dintr-un cluster.

„Această relație indică faptul că spațiu-timp în sine nu există în esență, ci mai degrabă emerge dintr-o natură cuantică”, spune Goto. Fizicienii încearcă să înțeleagă care proprietate cuantică este fundamentală. „

Kanato Goto și doi colegi au efectuat o analiză folosind găuri de vierme care aruncă lumină asupra paradoxului informațiilor despre găurile negre. Credit: © 2022 RIKEN

Gândul inițial a fost că încrucișarea cuantică – care conectează particulele, indiferent cât de departe sunt acestea – era cel mai important factor: cu cât particulele încurcate la graniță, cu atât spațiu-timp este mai neted în interiorul clusterului.

„Dar doar privind gradul de încurcare la graniță nu poate explica toate proprietățile găurilor negre, de exemplu, modul în care interioarele lor pot crește”, spune Guto.

Așa că Goto și colegii săi iTHEMS Tomoki Nosaka și Masahiro Nozaki au căutat un alt cuantic care s-ar putea aplica regimului de graniță și ar putea fi, de asemenea, mapat la masă pentru a descrie mai pe deplin găurile negre. În special, ei au remarcat că găurile negre au o proprietate haotică care necesită descriere.

Când arunci ceva înăuntru[{” 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