Kuantum “sihir” ve kara delik kaosu, uzay-zamanın kökenini açıklamaya yardımcı olabilir

Fizikçiler ilk kez büyünün kuantum özelliğini kara deliklerin kaotik doğasına bağladılar.

Üç RIKEN fizikçisi tarafından yapılan yeni bir matematiksel analiz, “sihir” olarak adlandırılan bir kuantum özelliğinin, uzay ve zamanın nasıl ortaya çıktığını açıklamanın anahtarı olabileceğini öne sürüyor.

Evreni destekleyen uzay-zaman dokusundan daha temel bir şey düşünmek zordur, ancak teorik fizikçiler bu varsayımı sorgulamaktadır. RIKEN’in Disiplinlerarası Teorik ve Matematik Bilimleri’nden (iTHEMS) Kanato Goto, “Fizikçiler uzun zamandır uzay ve zamanın temel olmadığı, daha çok daha derin bir şeyden türediği olasılığı karşısında büyülendiler” diyor.

Süper kütleli kara delik M87’nin görünümü. RIKEN teorik fizikçileri, kara deliklerin kaotik doğasını ilk kez büyünün kuantum özelliğine bağladılar. Kredi: EHT İşbirliği

Bu fikir, teorik fizikçi Juan Maldacena’nın uzay-zamanı yöneten yerçekimi teorisini kuantum parçacıklarını içeren bir teori ile ilişkilendirdiği 1990’larda destek gördü. Özellikle, yerçekiminden etkilenen kara delikler gibi şeyleri tutan – sonsuz bir çorba kutusu veya “küme” gibi bir şeyle çevrili olarak resmedilebilecek varsayımsal bir uzay hayal edin. Maldacena ayrıca kuantum mekaniği tarafından kontrol edilen bir kutunun yüzeyinde hareket eden parçacıkları hayal etti. Matematikte sınırdaki parçacıkları tanımlamak için kullanılan kuantum teorisinin, bir küme içindeki kara delikleri ve uzay-zamanı tanımlayan yerçekimi teorisine eşdeğer olduğunu fark etti.

Goto, “Bu ilişki, uzay-zamanın kendisinin esasen var olmadığını, bunun yerine bazı kuantum doğasından ortaya çıktığını gösteriyor” diyor. Fizikçiler, hangi kuantum özelliğinin anahtar olduğunu anlamaya çalışıyorlar.

Kanato Goto ve iki meslektaşı, kara delik bilgi paradoksuna ışık tutan solucan deliklerini kullanarak bir analiz gerçekleştirdi. Kredi: © 2022 RIKEN

Orijinal düşünce, birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun parçacıkları birbirine bağlayan kuantum dolaşıklığın en önemli faktör olduğuydu: sınırda ne kadar çok dolaşık parçacık varsa, küme içindeki uzay-zaman o kadar pürüzsüz olur.

Guto, “Fakat sadece sınırdaki dolaşıklık derecesine bakmak, kara deliklerin tüm özelliklerini, örneğin içlerinin nasıl büyüyebileceğini açıklayamaz” diyor.

Böylece Goto ve iTHEMS meslektaşları Tomoki Nosaka ve Masahiro Nozaki, sınır rejimi için geçerli olabilecek ve ayrıca kara delikleri daha tam olarak tanımlamak için kütleye eşlenebilecek başka bir kuantum aradılar. Özellikle, karadeliklerin tanımlanması gereken kaotik bir özelliğe sahip olduğuna dikkat çektiler.

İçine bir şey attığında[{” 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