Quantenmagie könnte dabei helfen, den Ursprung der Raumzeit zu erklären

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. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung D.

Es ist schwer, sich etwas Grundlegenderes vorzustellen als das Gefüge 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).

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.“

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 zu berücksichtigen, 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 Sie etwas in ein Schwarzes Loch werfen, werden Informationen darüber verschlüsselt und können nicht wiederhergestellt werden“, sagt Goto. „Dieses Durcheinander ist eine Manifestation des Chaos.“

Das Team stieß auf „Magie“, ein mathematisches Maß dafür, wie schwierig es ist, einen Quantenzustand mit einem gewöhnlichen klassischen (Nicht-Quanten-)Computer zu simulieren. Ihre Berechnungen zeigten, dass sich in einem chaotischen System fast jeder Zustand zu einem „maximal magischen“ Zustand entwickeln wird – der am schwierigsten zu simulieren ist.

Dies liefert die erste direkte Verbindung zwischen der Quanteneigenschaft der Magie und der chaotischen Natur von Schwarzen Löchern. „Dieser Befund deutet darauf hin, dass Magie stark an der Entstehung der Raumzeit beteiligt ist“, sagt Goto.