Quanten-„Magie“ und das Chaos von Schwarzen Löchern könnten dabei helfen, den Ursprung der Raumzeit zu erklären

Physiker bringen erstmals die Quanteneigenschaft der Magie mit der chaotischen Natur von Schwarzen Löchern in Verbindung.

Eine neue mathematische Analyse von drei RIKEN-Physikern legt nahe, dass eine als „Magie“ bezeichnete Quanteneigenschaft der Schlüssel zur Erklärung sein könnte, wie Raum und Zeit entstehen.

Es ist schwierig, sich etwas Fundamentaleres vorzustellen als das Raum-Zeit-Gefüge, das das Universum untermauert, aber theoretische Physiker stellen diese Annahme in Frage. „Physiker sind seit langem von der Möglichkeit fasziniert, dass Raum und Zeit nicht grundlegend sind, sondern von etwas Tieferem abgeleitet werden“, sagt Kanato Goto von RIKENs Interdisziplinäre Theoretische und Mathematische Wissenschaften (iTHEMS).

Blick auf das supermassereiche Schwarze Loch M87. Theoretische Physiker von RIKEN haben zum ersten Mal die chaotische Natur von Schwarzen Löchern mit der Quanteneigenschaft der Magie in Verbindung gebracht. Bildnachweis: EHT-Zusammenarbeit

Diese Idee erhielt in den 1990er Jahren Auftrieb, als der theoretische Physiker Juan Maldacena die Gravitationstheorie, die die Raumzeit bestimmt, mit einer Theorie der Quantenteilchen verband. Stellen Sie sich insbesondere einen hypothetischen Raum vor – den Sie sich so vorstellen können, dass er von so etwas wie einer unendlichen Suppendose oder einem „Cluster“ umgeben ist – der Dinge wie schwarze Löcher enthält, die von der Schwerkraft beeinflusst werden. Maldacena stellte sich auch Partikel vor, die sich über die Oberfläche einer Dose bewegen, gesteuert durch die Quantenmechanik. Er erkannte, dass die Quantentheorie, die zur Beschreibung von Teilchen an der Grenze in der Mathematik verwendet wird, der Gravitationstheorie entspricht, die schwarze Löcher und die Raumzeit innerhalb eines Clusters beschreibt.

„Diese Beziehung weist darauf hin, dass die Raumzeit selbst nicht im Wesentlichen existiert, sondern eher aus einer Quantennatur hervorgeht“, sagt Goto. Physiker versuchen zu verstehen, welche Quanteneigenschaft der Schlüssel ist.

Kanato Goto und zwei Kollegen haben eine Analyse unter Verwendung von Wurmlöchern durchgeführt, die Licht auf das Informationsparadoxon von Schwarzen Löchern wirft. Kredit: © 2022 RIKEN

Der ursprüngliche Gedanke war, dass die Quantenverschränkung – die Teilchen verbindet, egal wie weit sie voneinander entfernt sind – der wichtigste Faktor war: Je stärker die Teilchen an der Grenze verschränkt sind, desto glatter ist die Raumzeit innerhalb des Clusters.

„Aber nur den Grad der Verschränkung an der Grenze zu betrachten, kann nicht alle Eigenschaften von Schwarzen Löchern erklären, zum Beispiel, wie ihr Inneres wachsen kann“, sagt Guto.

Also suchten Goto und seine iTHEMS-Kollegen Tomoki Nosaka und Masahiro Nozaki nach einem anderen Quantum, das für das Grenzregime gelten und auch auf die Masse abgebildet werden könnte, um Schwarze Löcher vollständiger zu beschreiben. Insbesondere stellten sie fest, dass Schwarze Löcher eine chaotische Eigenschaft haben, die beschrieben werden muss.

Wenn du etwas hineinwirfst[{“ 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