Квантовая «магия» и хаос черных дыр могут помочь объяснить происхождение пространства-времени

Физики впервые связывают квантовое свойство магии с хаотичной природой черных дыр.

Новый математический анализ, проведенный тремя физиками RIKEN, предполагает, что квантовое свойство, получившее название «магия», может быть ключом к объяснению того, как возникают пространство и время.

Трудно представить себе что-то более фундаментальное, чем ткань пространства-времени, на которой основана Вселенная, но физики-теоретики сомневаются в этом предположении. «Физиков уже давно завораживает возможность того, что пространство и время не являются фундаментальными, а происходят из чего-то более глубокого», — говорит Канато Гото из междисциплинарного теоретико-математического отдела RIKEN (iTHEMS).

Вид на сверхмассивную черную дыру M87. Физики-теоретики RIKEN впервые связали хаотическую природу черных дыр с квантовыми свойствами магии. Кредит: Сотрудничество EHT

Эта идея получила развитие в 1990-х годах, когда физик-теоретик Хуан Малдасена соединил теорию гравитации, управляющую пространством-временем, с теорией квантовых частиц. В частности, представьте себе гипотетическое пространство, которое можно изобразить как окруженное чем-то вроде бесконечной банки для супа или «скоплением», в котором находятся такие объекты, как черные дыры, на которые действует гравитация. Малдасена также представил частицы, движущиеся по поверхности банки под управлением квантовой механики. Он понял, что квантовая теория, используемая для описания частиц на границе в математике, эквивалентна гравитационной теории, описывающей черные дыры и пространство-время внутри скопления.

«Эта взаимосвязь указывает на то, что само пространство-время по существу не существует, а скорее возникает из некой квантовой природы», — говорит Гото. Физики пытаются понять, какое квантовое свойство является фундаментальным. «

Канато Гото и двое его коллег провели анализ с использованием червоточин, который проливает свет на информационный парадокс черной дыры. Кредит: © 2022 РИКЕН

Первоначальная идея заключалась в том, что квантовая запутанность, которая соединяет частицы независимо от того, насколько далеко они друг от друга, является наиболее важным фактором: чем больше запутанных частиц на границе, тем более гладким является пространство-время внутри кластера.

«Но просто глядя на степень запутанности на границе, нельзя объяснить все свойства черных дыр, например то, как их внутренности могут расти», — говорит Гуто.

Поэтому Гото и его коллеги из iTHEMS Томоки Носака и Масахиро Нодзаки искали другой квант, который можно было бы применить к граничному режиму и также можно было бы сопоставить с массой для более полного описания черных дыр. В частности, они отметили, что черные дыры обладают хаотическим свойством, которое нуждается в описании.

Когда вы бросаете что-то в[{» 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