يمكن أن يساعد “سحر” الكم وفوضى الثقوب السوداء في تفسير أصل الزمكان

يربط الفيزيائيون لأول مرة الخاصية الكمومية “للسحر” بالطبيعة الفوضوية للثقوب السوداء.

يمكن لخاصية كمومية تسمى “السحر” أن تكون المفتاح لشرح كيفية نشوء المكان والزمان ، وفقًا لتحليل رياضي جديد من ثلاثة فيزيائيين من RIKEN.

من الصعب تصور أي شيء أكثر جوهرية من نسيج الزمكان الذي يقوم عليه الكون ، لكن الفيزيائيين النظريين تحدوا هذا الافتراض. يقول كاناتو جوتو من RIKEN العلوم النظرية والرياضية متعددة التخصصات (iTHEMS): “لطالما انبهر الفيزيائيون باحتمالية أن المكان والزمان ليسا أساسيين ، ولكنهما مشتقان من شيء أعمق”.

منظر للثقب الأسود الهائل M87. ربط علماء الفيزياء النظرية RIKEN لأول مرة الطبيعة الفوضوية للثقوب السوداء بالخاصية الكمومية للسحر. الائتمان: تعاون EHT

تلقت هذه الفكرة دفعة قوية في التسعينيات ، عندما ربط الفيزيائي النظري خوان مالداسينا نظرية الجاذبية التي تحكم الزمكان بنظرية تتضمن الجسيمات الكمومية. على وجه الخصوص ، تخيل فضاءًا افتراضيًا – يمكن وصفه بأنه محاط بشيء مثل علبة قصدير لانهائية ، أو “مفكوكة” – تحتوي على أشياء مثل الثقوب السوداء التي تعمل الجاذبية عليها. تخيل مالداسينا أيضًا جسيمات تتحرك على سطح العلبة ، يتم التحكم فيها بواسطة ميكانيكا الكم. لقد أدرك أن نظرية الكم المستخدمة في وصف الجسيمات الموجودة على الحدود في الرياضيات تعادل نظرية الجاذبية التي تصف الثقوب السوداء والزمكان داخل الكتلة.

يوضح جوتو: “تشير هذه العلاقة إلى أن الزمكان نفسه غير موجود أساسًا ، ولكنه ينبثق من بعض الطبيعة الكمية”. يحاول الفيزيائيون اكتشاف الخاصية الكمية التي هي المفتاح.

أجرى كاناتو جوتو واثنان من زملائه تحليلاً باستخدام الثقوب الدودية التي تلقي الضوء على مفارقة معلومات الثقب الأسود. الائتمان: © 2022 RIKEN

كانت الفكرة الأصلية هي أن التشابك الكمي – الذي يربط الجسيمات بغض النظر عن المسافة الفاصلة بينها – كان العامل الأكثر أهمية: فكلما زاد تشابك الجسيمات عند الحدود ، كلما كان الزمكان في الكتلة سائلًا.

يقول جوتو: “لكن مجرد التفكير في درجة التشابك عند الحدود لا يمكن أن يفسر جميع خصائص الثقوب السوداء ، على سبيل المثال ، كيف يمكن أن تنمو أجزاءها الداخلية”.

لذلك بحث غوتو وزملاؤه في iTHEMS Tomoki Nosaka و Masahiro Nozaki عن كمية كمية أخرى يمكن أن تنطبق على نظام الحدود ويمكن أيضًا تعيينها ككل لوصف الثقوب السوداء بمزيد من التفصيل. وأشاروا على وجه الخصوص إلى أن للثقوب السوداء خاصية فوضوية تحتاج إلى وصف.

“عندما ترمي شيئًا ما في[{” 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