Связь между теориями Эйнштейна — мостом Эйнштейна — Розена (червоточинами) и парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (запутанными частицами) — давно интригует физиков. Новые исследования показывают, что применительно к чёрным дырам эта связь гораздо сложнее и «неровнее», чем считалось ранее, что приводит к тому, что исследователи называют «червоточинами-гусеницами».
Квантовая запутанность и чёрные дыры: теоретическая связь
В 2013 году Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд предложили убедительную идею: квантовая запутанность двух частиц и существование червоточин могут быть математически эквивалентны при рассмотрении чёрных дыр. Это говорит о том, что две чёрные дыры, неразрывно связанные квантовой связью, потенциально могут создавать туннель через пространство-время.
Однако недавнее исследование во главе с Брайаном Свинглом в Университете Брандейса внесло нюансы в это понимание. Проанализировав группу запутанных чёрных дыр, Свингл и его команда обнаружили, что связь не всегда гладкая и предсказуемая; вместо этого она обладает неровной, заполненной материей структурой.
Раскрытие структуры внутренней части чёрных дыр
Изучение этих червоточин предоставляет уникальную возможность исследовать внутреннюю структуру чёрных дыр. Эти внутренности остаются загадочными из-за огромных гравитационных сил, действующих в них, что делает их трудными для прямого изучения. Интересно, что математические модели указывают на то, что размер внутренней части чёрной дыры коррелирует со ее сложностью — насколько она изысканна на фундаментальном квантовом уровне. Команда Свингла распространила эту логику на изучение того, применим ли аналогичный принцип к червоточинам, соединяющим пары чёрных дыр.
Сложные вычисления: моделирование реальности с помощью квантовой физики и гравитации
Полное понимание запутанности чёрных дыр потребовало бы единой теории квантовой гравитации, теории, которая в настоящее время ускользает от физиков. Вместо этого команда Свингла использовала модель, которая заполняет пробел между квантовой физикой и гравитацией, предлагая идеи, признавая при этом ее неполноту.
Структура «гусеницы»: материя, длина и квантовый случай
Расчёты команды выявили прямую связь между количеством микроскопического квантового случайного шума, содержащегося червоточиной, и её геометрической длиной. Их результаты показали, что эти червоточины вряд ли будут идеально гладкими. Они с большей вероятностью будут содержать неровности, состоящие из материи — характеристика, которая привела к аналогии с «гусеницей». Это контрастирует с результатом 2013 года, который может применяться к конкретным, менее распространённым сценариям, когда запутанное состояние чёрных дыр приводит к гладкой связи.
Новое исследование добавляет понимание запутанных чёрных дыр, но пока не описывает наиболее распространённый случай такой запутанности.
— Дональд Маролф, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре
Направления исследований: квантовые компьютеры и более глубокое понимание
Дональд Маролф в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре отмечает, что, хотя исследование ценно, оно пока не описывает наиболее типичный сценарий запутанности. Огромное количество теоретически возможных состояний чёрных дыр — во много раз превышающее количество чёрных дыр во Вселенной — подчёркивает необходимость дальнейших теоретических исследований для определения наиболее вероятного связанного состояния пары чёрных дыр.
В перспективе Свингл предлагает использовать квантовые компьютеры для моделирования этих космических чёрных дыр и «червоточин-гусениц». Подход команды, который объединяет квантовую физику и гравитацию, указывает на возможность того, что всё более мощные квантовые компьютеры могут предложить идеи как в отношении квантовой теории, так и в отношении новых концепций, связанных с гравитацией. Кроме того, изучение загадок гравитации может потенциально вдохновить инновационные алгоритмы квантовых вычислений.
В заключение, это исследование проливает свет на сложную природу червоточин, связывающих запутанные чёрные дыры, выявляя потенциально неровную, заполненную материей структуру. Хотя полная теория квантовой гравитации остаётся недостижимой, продолжающиеся исследования — включая потенциальное использование квантовых компьютеров — обещают углубить наше понимание этих увлекательных космических связей и таинственных внутренних структур чёрных дыр.
