量子「魔法」とブラックホールのカオスは、時空の起源を説明するのに役立つ可能性があります

物理学者は初めて、魔法の量子特性をブラック ホールの混沌とし​​た性質と関連付けました。

3人の理研の物理学者による新しい数学的分析は、「魔法」と呼ばれる量子特性が、空間と時間がどのように発生するかを説明する鍵になる可能性があることを示唆しています。

宇宙を支える時空の構造よりも基本的なものを想像することは困難ですが、理論物理学者はこの仮定に疑問を投げかけています. 「物理学者は長い間、空間と時間が基本的なものではなく、より深い何かに由来する可能性に魅了されてきました」と、理化学研究所の学際的理論および数理科学 (iTHEMS) の後藤カナトは述べています。

超大質量ブラック ホール M87 のビュー。 理研の理論物理学者は、ブラック ホールの混沌とし​​た性質と魔法の量子特性を初めて関連付けました。 クレジット: EHT コラボレーション

このアイデアは、1990 年代に理論物理学者のフアン マルダセナが時空を支配する重力理論と量子粒子を含む理論を関連付けたときに後押しされました。 特に、重力の影響を受けるブラックホールのようなものを保持する無限のスープ缶、または「クラスター」のようなものに囲まれていると想像できる架空の空間を想像してみてください。 Maldacena はまた、量子力学によって制御され、缶の表面を移動する粒子を想像しました。 彼は、数学で境界にある粒子を記述するために使用される量子論が、ブラック ホールとクラスター内の時空を記述する重力理論と同等であることを認識しました。

「この関係は、時空自体が本質的に存在するのではなく、何らかの量子的性質から出現することを示しています」と後藤は言います。 物理学者は、どの量子特性が鍵であるかを理解しようとしています。

後藤カナトと 2 人の同僚は、ブラック ホールの情報パラドックスに光を当てるワームホールを使用した分析を行いました。 クレジット: © 2022 理化学研究所

当初の考えでは、量子エンタングルメント (粒子がどれだけ離れていても粒子を接続する) が最も重要な要素であると考えられていました。境界で粒子が絡み合っているほど、クラスター内の時空が滑らかになります。

「しかし、境界でのもつれの程度を見るだけでは、ブラック ホールのすべての特性、たとえば内部がどのように成長するかを説明することはできません」と Guto は言います。

そこで後藤氏とiTHEMSの同僚である野坂智紀氏と野崎正浩氏は、境界領域に適用でき、質量にもマッピングしてブラックホールをより完全に説明できる別の量子を探した。 特に、ブラックホールには説明が必要なカオス特性があることに注目しました。

何かを投げ入れると[{” 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