Wnętrza czarnych dziur wywierają tak silne przyciąganie grawitacyjne, że nawet światło nie może z nich uciec. A to sprawia, że wiele właściwości czarnych dziur jest niewyjaśnionych.

Teraz zespół kierowany przez Enrico Rinaldiego, naukowca z Uniwersytetu Michigan, wykorzystał obliczenia kwantowe i deep-learning do badania właściwości wnętrz tych obiektów w ramach 'dualności holograficznej’.

Ten pomysł teoretycznie zakłada, że czarne dziury, a nawet sam wszechświat, mogą być hologramami.

– Nowe techniki nie badają bezpośrednio idei wszechświata jako projekcji holograficznej – tłumaczy Rinaldi. – Jeśli czarną dziurę można opisać za pomocą dualizmu holograficznego, wierzymy, że grawitację w całym naszym wszechświecie można również opisać za pomocą holografii. Jednak ten ostatni krok jest nadal przedmiotem intensywnych badań i nie jest bezpośrednio związany z prezentowanymi przez nas technikami. Nasze techniki umożliwiają wykonywanie trudnych obliczeń i zapewniają narzędzia do testowania w przyszłości idei, że wszechświat jest hologramem.

Do tego momentu Rinaldi i jego koledzy stosowali tzw. modele macierzowe, aby zbadać tajemnicze zachowanie grawitacji w skalach kwantowych, znane jako grawitacja kwantowa. Naukowcy uważają, że te techniki obliczeniowe mogą stać się kluczem w badaniach grawitacji kwantowej. Nowe badania to najnowsza iteracja trwających dziesięciolecia wysiłków zmierzających do wyrównania praw fizyki do skali kosmicznej i kwantowej. W rozległym królestwie gwiazd i galaktyk rzeczywistością rządzi ogólna teoria względności Einsteina, podczas gdy w malutkim świecie atomów i cząstek obiekty poruszają się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Ponieważ te dwa układy nie są spójne, naukowcy z wielu dziedzin szukali sposobu na połączenie ich w ujednoliconą teorię pola, która mogłaby wyjaśnić wszechświat zarówno w małej, jak i dużej skali.

It’s finally out on the APS @PRX_Quantum journal! This paper was the first step we took to study matrix models with new emerging technologies, deep learning and quantum algorithms. Small matrix models can already be solved using current NISQ hardware. https://t.co/SemwHaS0Ph

— Enrico Rinaldi (@enricesena) February 12, 2022

Grawitacja kwantowa znajduje się w centrum wielu z tych dyskusji, ponieważ nikt nie wie, jak grawitacja działa w sferze kwantowej. Czarne dziury stały się naturalnymi laboratoriami do opracowywania teorii dotyczących grawitacji kwantowej, ponieważ ogólna teoria względności nie może wyjaśnić przewidywań zjawisk grawitacyjnych w pobliżu tych masywnych obiektów.

– Czarne dziury to tajemnicze obiekty, w których zderzają się nasze teorie ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej – powiedział Rinaldi. – Naukowcy, w tym Albert Einstein i Steven Hawking, badali czarne dziury w nadziei na zrealizowanie teorii grawitacji zgodnej z zasadami mechaniki kwantowej, zwanej grawitacją kwantową. Uważa się, że taka teoria byłaby w stanie wyjaśnić, co dzieje się z cząstkami, gdy wchodzą do czarnej dziury i jak informacje przekształcają się w pobliżu czarnej dziury lub tunelu czasoprzestrzennego. Bardziej ambitnym celem jest zrozumienie, w jaki sposób zakrzywienie przestrzeni i czasu w pobliżu czarnej dziury wyłania się matematycznie z bardziej podstawowych obiektów, takich jak struny i cząstki, jak w teorii strun.

University of Michigan physicist Enrico Rinaldi (@enricesena) is using quantum computing and machine learning to better understand black holes. Learn more: https://t.co/zakpgScjpT @UMichPhysics pic.twitter.com/ArZw38cY4q

— University of Michigan (@UMich) February 16, 2022

Jednym ze szczególnie nietypowych rezultatów tych badań jest pomysł, że czarne dziury są trójwymiarowymi holograficznymi projekcjami obiektów dwuwymiarowych.

Innymi słowy, czarne dziury mogą być iluzjami optycznymi analogicznymi do hologramów, które tworzą obraz 3D z powierzchni 2D. Jest to przydatny sposób myślenia o czarnych dziurach po części dlatego, że odjęcie wymiaru upraszcza próby dopasowania grawitacji do kwantowej teorii pola. Co więcej, podnosi to również możliwość, że cały nasz wszechświat również istnieje w dwóch wymiarach jako holograficzna projekcja trójwymiarowej przestrzeni.

Chociaż nie jest jeszcze możliwe dosłownie zajrzenie do wnętrza czarnej dziury, badanie otwiera nowe okno teoretyczne w nauce o tych obiektach.

Zdjęcie główne: Aman Pal/Unsplash
Tekst: MK