Kwantum “magie” en chaos van zwarte gaten kunnen de oorsprong van ruimte-tijd helpen verklaren

Natuurkundigen koppelen voor het eerst de kwantumeigenschap van magie aan de chaotische aard van zwarte gaten.

Een nieuwe wiskundige analyse door drie natuurkundigen van RIKEN suggereert dat een kwantumeigenschap genaamd “magie” de sleutel zou kunnen zijn om uit te leggen hoe ruimte en tijd ontstaan.

Het is moeilijk om iets fundamentelers voor te stellen dan het weefsel van ruimte-tijd dat ten grondslag ligt aan het universum, maar theoretische natuurkundigen trekken deze veronderstelling in twijfel. “Natuurkundigen zijn al lang gefascineerd door de mogelijkheid dat ruimte en tijd niet fundamenteel zijn, maar eerder zijn afgeleid van iets diepers”, zegt Kanato Goto van RIKEN’s Interdisciplinaire Theoretische en Wiskundige Wetenschappen (iTHEMS).

Zicht op het superzware zwarte gat M87. RIKEN theoretisch natuurkundigen hebben voor het eerst de chaotische aard van zwarte gaten gekoppeld aan de kwantumeigenschap van magie. Krediet: EHT-samenwerking

Dit idee kreeg een boost in de jaren negentig, toen theoretisch natuurkundige Juan Maldacena de theorie van de zwaartekracht die de ruimte-tijd regelt, verbond met een theorie over kwantumdeeltjes. Stel je in het bijzonder een hypothetische ruimte voor – die zou kunnen worden voorgesteld als omgeven door zoiets als een oneindig soepblik of ‘cluster’ – die dingen bevat als zwarte gaten die worden beïnvloed door de zwaartekracht. Maldacena stelde zich ook voor dat deeltjes over het oppervlak van een blikje bewegen, bestuurd door kwantummechanica. Hij realiseerde zich dat de kwantumtheorie die wordt gebruikt om deeltjes op de grens in de wiskunde te beschrijven, equivalent is aan de zwaartekrachttheorie die zwarte gaten en de ruimte-tijd binnen een cluster beschrijft.

“Deze relatie geeft aan dat ruimte-tijd zelf niet in wezen bestaat, maar voortkomt uit een of andere kwantumnatuur”, zegt Goto. Natuurkundigen proberen te begrijpen welke kwantumeigenschap de sleutel is.

Kanato Goto en twee collega’s hebben een analyse uitgevoerd met behulp van wormgaten die licht werpen op de informatieparadox van zwarte gaten. Credits: © 2022 RIKEN

De oorspronkelijke gedachte was dat kwantumverstrengeling – die deeltjes verbindt, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn – de belangrijkste factor was: hoe meer verstrengelde deeltjes aan de grens, hoe vloeiender de ruimte-tijd binnen de cluster.

“Maar alleen kijken naar de mate van verstrengeling aan de grens kan niet alle eigenschappen van zwarte gaten verklaren, bijvoorbeeld hoe hun interieur kan groeien”, zegt Guto.

Dus zochten Goto en zijn iTHEMS-collega’s Tomoki Nosaka en Masahiro Nozaki naar een ander kwantum dat van toepassing zou kunnen zijn op het grensregime en dat ook in kaart kon worden gebracht op de massa om zwarte gaten vollediger te beschrijven. Ze merkten met name op dat zwarte gaten een chaotische eigenschap hebben die moet worden beschreven.

Als je er iets ingooit[{” 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