Związek między teoriami Einsteina – mostem Einsteina-Rosena (tunele czasoprzestrzenne) i paradoksem Einsteina-Podolskiego-Rosena (splątane cząstki) – od dawna intryguje fizyków. Nowe badania pokazują, że w odniesieniu do czarnych dziur zależność ta jest znacznie bardziej złożona i nierówna, niż wcześniej sądzono, co prowadzi do powstania tego, co badacze nazywają „tunelami czasoprzestrzennymi gąsienicowymi”.
Splątanie kwantowe i czarne dziury: teoretyczne powiązanie
W 2013 roku Juan Maldacena i Leonard Susskind zaproponowali przekonujący pomysł: splątanie kwantowe między dwiema cząstkami i istnienie tuneli czasoprzestrzennych mogą być matematycznie równoważne w przypadku czarnych dziur. Sugeruje to, że dwie czarne dziury, nierozerwalnie połączone wiązaniem kwantowym, mogą potencjalnie stworzyć tunel w czasoprzestrzeni.
Jednak ostatnie badania prowadzone przez Briana Swingle’a z Brandeis University dodały niuansów do tego zrozumienia. Analizując grupę splątanych czarnych dziur, Swingle i jego zespół odkryli, że połączenie nie zawsze jest gładkie i przewidywalne; zamiast tego ma nierówną, wypełnioną materią strukturę.
Odkrywanie struktury wnętrza czarnych dziur
Badanie tych tuneli czasoprzestrzennych zapewnia wyjątkową okazję do zbadania wewnętrznej struktury czarnych dziur. Wnętrza te pozostają tajemnicze ze względu na działające w nich ogromne siły grawitacyjne, co utrudnia ich bezpośrednie badanie. Co ciekawe, modele matematyczne wskazują, że rozmiar wnętrza czarnej dziury koreluje z jej złożonością – stopniem wyrafinowania na podstawowym poziomie kwantowym. Zespół Swingle’a rozszerzył tę logikę, aby zbadać, czy podobna zasada ma zastosowanie do tuneli czasoprzestrzennych łączących pary czarnych dziur.
Złożone obliczenia: symulowanie rzeczywistości za pomocą fizyki kwantowej i grawitacji
Pełne zrozumienie splątania czarnych dziur wymagałoby ujednoliconej teorii grawitacji kwantowej, która obecnie wymyka się fizykom. Zamiast tego zespół Swingle’a wykorzystał model, który wypełnia lukę między fizyką kwantową a grawitacją, oferując wgląd w sytuację, jednocześnie przyznając się do jej niekompletności.
Budowa „gąsienicy”: materia, długość i przypadek kwantowy
Obliczenia zespołu ujawniły bezpośredni związek pomiędzy ilością mikroskopijnego kwantowego szumu losowego zawartego w tunelu czasoprzestrzennym a jego długością geometryczną. Wyniki pokazały, że jest mało prawdopodobne, aby te tunele czasoprzestrzenne były idealnie gładkie. Jest bardziej prawdopodobne, że zawierają nierówności utworzone z materii, co doprowadziło do analogii z „gąsienicą”. Kontrastuje to z wynikiem z 2013 r., który może dotyczyć konkretnych, mniej powszechnych scenariuszy, w których stan splątania czarnych dziur prowadzi do płynnej komunikacji.
Nowe badanie poszerza wiedzę na temat splątanych czarnych dziur, ale nie opisuje jeszcze najczęstszego przypadku takiego splątania.
— Donald Marolf, Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara
Obszary badawcze: obliczenia kwantowe i głębsze zrozumienie
Donald Marolf z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara zauważa, że choć badania są cenne, nie opisują jeszcze najbardziej typowego scenariusza splątania. Sama liczba teoretycznie możliwych stanów czarnych dziur – wielokrotnie większa od liczby czarnych dziur we Wszechświecie – podkreśla potrzebę dalszych badań teoretycznych w celu określenia najbardziej prawdopodobnego stanu związanego pary czarnych dziur.
W przyszłości Swingle proponuje wykorzystanie komputerów kwantowych do symulacji kosmicznych czarnych dziur i „gąsienic tuneli czasoprzestrzennych”. Podejście zespołu, które łączy fizykę kwantową i grawitację, wskazuje na możliwość, że coraz potężniejsze komputery kwantowe będą w stanie zapewnić wgląd zarówno w teorię kwantową, jak i nowe koncepcje związane z grawitacją. Ponadto badanie tajemnic grawitacji może potencjalnie zainspirować innowacyjne algorytmy obliczeń kwantowych.
Podsumowując, badanie to rzuca światło na złożoną naturę tuneli czasoprzestrzennych łączących splątane czarne dziury, ujawniając potencjalnie postrzępioną, wypełnioną materią strukturę. Chociaż pełna teoria grawitacji kwantowej pozostaje nieuchwytna, trwające badania – w tym potencjalne wykorzystanie komputerów kwantowych – obiecują pogłębić naszą wiedzę na temat tych fascynujących kosmicznych połączeń i tajemniczych wewnętrznych struktur czarnych dziur.
