RIKEN-Physiker schlagen vor, dass eine Quanteneigenschaft namens „Magie“ der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung der Raumzeit sein könnte, basierend auf einer neuen mathematischen Analyse, die sie mit der chaotischen Natur von Schwarzen Löchern verbindet.
Physiker bringen erstmals die Quanteneigenschaft der „Magie“ mit der chaotischen Natur von Schwarzen Löchern in Verbindung.
Eine als „Magie“ bezeichnete Quanteneigenschaft könnte der Schlüssel zur Erklärung sein, wie Raum und Zeit entstanden sind, legt eine neue mathematische Analyse von drei RIKEN-Physikern nahe.
Es ist schwer, sich etwas Grundlegenderes vorzustellen als das Gewebe der Raumzeit, das das Universum untermauert, aber theoretische Physiker haben diese Annahme in Frage gestellt. „Physiker sind seit langem fasziniert von der Möglichkeit, dass Raum und Zeit nicht grundlegend sind, sondern von etwas Tieferem abgeleitet werden“, sagt Kanato Goto von RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS).
Ein 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 Vorstellung erhielt in den 1990er Jahren Auftrieb, als der theoretische Physiker Juan Maldacena die Gravitationstheorie, die die Raumzeit bestimmt, mit einer Theorie in Verbindung brachte, die Quantenteilchen beinhaltet. Insbesondere stellte er sich einen hypothetischen Raum vor – den man sich so vorstellen kann, dass er in etwas wie eine unendliche Suppendose oder einen „Massenkörper“ eingeschlossen ist –, der Objekte wie schwarze Löcher enthält, auf die die Schwerkraft einwirkt. Maldacena stellte sich auch Teilchen vor, die sich auf der Oberfläche der Dose bewegen, gesteuert durch die Quantenmechanik. Er erkannte, dass eine Quantentheorie, die zur Beschreibung der Teilchen an der Grenze verwendet wird, mathematisch einer Gravitationstheorie entspricht, die die Schwarzen Löcher und die Raumzeit innerhalb des Volumens beschreibt.
„Diese Beziehung weist darauf hin, dass die Raumzeit selbst nicht grundlegend existiert, sondern aus einer Quantennatur hervorgeht“, sagt Goto. „Physiker versuchen, die entscheidende Quanteneigenschaft zu verstehen.“
Kanato Goto und zwei Kollegen haben eine Analyse mit 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 Volumens.
„Aber allein der Grad der Verschränkung an der Grenze kann nicht alle Eigenschaften von Schwarzen Löchern erklären, zum Beispiel wie ihr Inneres wachsen kann“, sagt Goto.
Also suchten die Goto- und iTHEMS-Kollegen Tomoki Nosaka und Masahiro Nozaki nach einer anderen Quantengröße, die für das Grenzsystem 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 in einen wirfst[{” 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