Kvantová „magie“ a chaos černých děr by mohly pomoci vysvětlit původ časoprostoru

Fyzici poprvé spojují kvantovou vlastnost magie s chaotickou povahou černých děr.

Nová matematická analýza tří fyziků RIKEN naznačuje, že kvantová vlastnost nazývaná „magie“ by mohla být klíčem k vysvětlení toho, jak vzniká prostor a čas.

Je těžké si představit něco zásadnějšího, než je struktura časoprostoru, která je základem vesmíru, ale teoretičtí fyzici tento předpoklad zpochybňují. „Fyzici byli dlouho fascinováni možností, že prostor a čas nejsou základní, ale spíše odvozené od něčeho hlubšího,“ říká Kanato Goto z RIKEN’s Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS).

Pohled na supermasivní černou díru M87. Teoretickí fyzici RIKEN poprvé spojili chaotickou povahu černých děr s kvantovou vlastností magie. Kredit: EHT Collaboration

Tato myšlenka získala impuls v 90. letech, kdy teoretický fyzik Juan Maldacena spojil teorii gravitace, která řídí časoprostor, s teorií zahrnující kvantové částice. Konkrétně si představte hypotetický prostor – který by se dal představit jako obklopený něčím jako nekonečná polévková plechovka nebo „shluk“ – který obsahuje věci jako černé díry, které jsou ovlivněny gravitací. Maldacena si také představoval částice pohybující se po povrchu plechovky, ovládané kvantovou mechanikou. Uvědomil si, že kvantová teorie používaná k popisu částic na hranici v matematice je ekvivalentní gravitační teorii popisující černé díry a časoprostor v kupě.

„Tento vztah naznačuje, že samotný časoprostor v podstatě neexistuje, ale spíše se vynořuje z nějaké kvantové přírody,“ říká Goto. Fyzici se snaží pochopit, která kvantová vlastnost je klíčová.

Kanato Goto a dva kolegové provedli analýzu pomocí červích děr, která vrhá světlo na informační paradox černých děr. Kredit: © 2022 RIKEN

Původní myšlenka byla, že kvantové provázání – které spojuje částice bez ohledu na to, jak jsou od sebe vzdálené – je nejdůležitějším faktorem: čím více zapletených částic na hranici, tím hladší je časoprostor v kupě.

„Ale pouhý pohled na míru propletení na hranici nemůže vysvětlit všechny vlastnosti černých děr, například to, jak může růst jejich vnitřek,“ říká Guto.

Goto a jeho kolegové z iTHEMS Tomoki Nosaka a Masahiro Nozaki tedy hledali další kvanta, která by se dala aplikovat na hraniční režim a mohla by být také mapována na hmotu, aby úplněji popsala černé díry. Zejména poznamenali, že černé díry mají chaotickou vlastnost, kterou je třeba popsat.

Když tam něco hodíš[{“ 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