“Sihir” kuantum dan kekacauan lubang hitam dapat membantu menjelaskan asal mula ruang-waktu

Fisikawan untuk pertama kalinya menghubungkan properti kuantum sihir dengan sifat kacau lubang hitam.

Analisis matematis baru oleh tiga fisikawan RIKEN menunjukkan bahwa properti kuantum yang dijuluki “sihir” bisa menjadi kunci untuk menjelaskan bagaimana ruang dan waktu muncul.

Sulit untuk membayangkan sesuatu yang lebih mendasar daripada jalinan ruang-waktu yang menopang alam semesta, tetapi fisikawan teoretis mempertanyakan asumsi ini. “Fisikawan telah lama terpesona oleh kemungkinan bahwa ruang dan waktu tidak mendasar, melainkan berasal dari sesuatu yang lebih dalam,” kata Kanato Goto dari Ilmu Teori dan Matematika Interdisipliner RIKEN (iTHEMS).

Pemandangan lubang hitam supermasif M87. Fisikawan teoretis RIKEN telah mengaitkan sifat kacau lubang hitam dengan properti kuantum sihir untuk pertama kalinya. Kredit: Kolaborasi EHT

Gagasan ini mendapat dorongan pada 1990-an, ketika fisikawan teoretis Juan Maldacena menghubungkan teori gravitasi yang mengatur ruang-waktu dengan teori yang melibatkan partikel kuantum. Secara khusus, bayangkan sebuah ruang hipotetis—yang dapat digambarkan dikelilingi oleh sesuatu seperti kaleng sup tak terbatas, atau “cluster”—yang menampung benda-benda seperti lubang hitam yang dipengaruhi oleh gravitasi. Maldacena juga membayangkan partikel bergerak melintasi permukaan kaleng, dikendalikan oleh mekanika kuantum. Dia menyadari bahwa teori kuantum yang digunakan untuk menggambarkan partikel pada batas dalam matematika setara dengan teori gravitasi yang menjelaskan lubang hitam dan ruang-waktu dalam sebuah cluster.

“Hubungan ini menunjukkan bahwa ruang-waktu itu sendiri pada dasarnya tidak ada, melainkan muncul dari beberapa sifat kuantum,” kata Goto. Fisikawan mencoba memahami properti kuantum mana yang menjadi kuncinya.

Kanato Goto dan dua rekannya telah melakukan analisis menggunakan lubang cacing yang menyoroti paradoks informasi lubang hitam. Kredit: © 2022 RIKEN

Pemikiran awalnya adalah bahwa keterikatan kuantum—yang menghubungkan partikel tidak peduli seberapa jauh jaraknya—adalah faktor terpenting: semakin banyak partikel terjerat di batas, semakin mulus ruang-waktu di dalam gugus.

“Tapi hanya dengan melihat tingkat keterikatan pada batasnya tidak dapat menjelaskan semua sifat lubang hitam, misalnya, bagaimana interiornya dapat tumbuh,” kata Guto.

Jadi Goto dan rekan iTHEMS-nya Tomoki Nosaka dan Masahiro Nozaki mencari kuantum lain yang dapat diterapkan pada rezim batas dan juga dapat dipetakan ke massa untuk mendeskripsikan lubang hitam secara lebih lengkap. Secara khusus, mereka mencatat bahwa lubang hitam memiliki sifat kacau yang perlu dijelaskan.

Ketika Anda memasukkan sesuatu[{” 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