La “magia” quantistica e il caos dei buchi neri potrebbero aiutare a spiegare l’origine dello spazio-tempo

I fisici per la prima volta collegano la proprietà quantistica della magia alla natura caotica dei buchi neri.

Una nuova analisi matematica di tre fisici RIKEN suggerisce che una proprietà quantistica chiamata “magia” potrebbe essere la chiave per spiegare come nascono lo spazio e il tempo.

È difficile concepire qualcosa di più fondamentale del tessuto dello spazio-tempo alla base dell’universo, ma i fisici teorici mettono in dubbio questa ipotesi. “I fisici sono stati a lungo affascinati dalla possibilità che lo spazio e il tempo non siano fondamentali, ma piuttosto derivati ​​da qualcosa di più profondo”, afferma Kanato Goto dell’Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) di RIKEN.

Vista del buco nero supermassiccio M87. I fisici teorici di RIKEN hanno collegato per la prima volta la natura caotica dei buchi neri alla proprietà quantistica della magia. Credito: collaborazione EHT

Questa idea ha ricevuto una spinta negli anni ’90, quando il fisico teorico Juan Maldacena ha collegato la teoria della gravità che governa lo spazio-tempo con una teoria che coinvolge le particelle quantistiche. In particolare, immagina uno spazio ipotetico – che potrebbe essere raffigurato come circondato da qualcosa come un barattolo di zuppa infinito, o “ammasso” – che contiene cose come buchi neri influenzati dalla gravità. Maldacena ha anche immaginato particelle che si muovono sulla superficie di una lattina, controllate dalla meccanica quantistica. Si rese conto che la teoria quantistica usata per descrivere le particelle al confine in matematica è equivalente alla teoria gravitazionale che descrive i buchi neri e lo spazio-tempo all’interno di un ammasso.

“Questa relazione indica che lo spazio-tempo in sé non esiste essenzialmente, ma piuttosto emerge da una natura quantistica”, afferma Goto. I fisici stanno cercando di capire quale proprietà quantistica sia la chiave.

Kanato Goto e due colleghi hanno condotto un’analisi utilizzando wormhole che fa luce sul paradosso dell’informazione del buco nero. Credito: © 2022 RIKEN

Il pensiero originale era che l’entanglement quantistico, che collega le particelle indipendentemente dalla loro distanza, fosse il fattore più importante: più particelle sono entangled al confine, più uniforme è lo spazio-tempo all’interno dell’ammasso.

“Ma solo osservare il grado di entanglement al confine non può spiegare tutte le proprietà dei buchi neri, ad esempio, come può crescere il loro interno”, dice Guto.

Quindi Goto e i suoi colleghi di iTHEMS Tomoki Nosaka e Masahiro Nozaki hanno cercato un altro quanto che potesse applicarsi al regime di confine e che potesse anche essere mappato alla massa per descrivere più completamente i buchi neri. In particolare, hanno notato che i buchi neri hanno una proprietà caotica che richiede una descrizione.

Quando butti dentro qualcosa[{” 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