Журнал Кванта

Mar 09, 2023

6 июня 2023 г.

Елена Шмахало для журнала Quanta

Соавтор

6 июня 2023 г.

Тепловая смерть вызывала болезненное восхищение у физиков викторианской эпохи. Это был ранний пример того, как повседневная физика связана с величайшими темами космологии. Бросьте кубики льда в стакан с водой, и вы создадите ситуацию, выходящую из равновесия. Лед тает, жидкость остывает, и система достигает общей температуры. Хотя движение не прекращается — молекулы воды продолжают перетасовывать себя — оно теряет всякое ощущение прогресса, и общее распределение скоростей молекул не меняется.

Основатели термодинамики XIX века осознали, что то же самое относится и ко Вселенной в целом. Как только звезды сгорят, все, что останется — газ, пыль, звездные трупы, радиация — придет в равновесие. «С этого момента Вселенная будет обречена на состояние вечного покоя», — писал Герман фон Гельмгольц в 1854 году. Современная космология не изменила эту основную картину.

Но в последнее время физики начали думать, что предположительно тепломертвая Вселенная намного интереснее, чем кажется. Их история начинается с вопроса о черных дырах — еще одной загадки, помимо тех, которые привлекают больше всего внимания. Согласно нашему стандартному пониманию черных дыр, они продолжают изменяться еще долго после того, как должны были прийти в равновесие. Исследование причин заставило исследователей пересмотреть то, как развиваются вещи в целом, включая саму Вселенную. «Никто особо не задумывался об этом, потому что это просто скучно: это выглядит как равновесие, и ничего не происходит», — сказал Брайан Свингл, физик из Университета Брандейса. «Но затем появились черные дыры».

Когда кубик льда тает и достигает равновесия с жидкостью, физики обычно говорят, что эволюция системы закончилась. Но этого не произошло — жизнь после тепловой смерти существует. На квантовом уровне продолжают происходить странные и чудесные вещи. «Если вы действительно посмотрите на квантовую систему, распределение частиц могло бы уравновеситься, и распределение энергии могло бы уравновеситься, но за этим еще многое происходит», — сказал Се Чен, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. .

Чен, Свингл и другие считают, что если уравновешенная система выглядит скучной и скучной, мы просто смотрим на нее неправильно. Действие перешло от величин, которые мы можем видеть непосредственно, к сильно делокализованным, которые требуют новых мер для отслеживания. Любимая мера на данный момент известна как сложность схемы. Эта концепция зародилась в информатике и была использована (неправомерно, как ворчали некоторые) для количественной оценки расцветающих закономерностей в квантовой системе. Эта работа интересна тем, что объединяет множество областей науки, не только черные дыры, но и квантовый хаос, топологические фазы материи, криптографию, квантовые компьютеры и возможность создания еще более мощных машин.

Получите журнал Quanta Magazine на свой почтовый ящик

видео : Леонард Сасскинд и его коллеги решили понять, почему внутренности черной дыры растут вечно. В итоге они предложили новый закон физики.

Кристофер Уэбб Янг / Журнал Quanta

В середине 20-го века черные дыры были загадочными из-за их «сингулярности» в ядре — места, где падающее вещество становится бесконечно уплотненным, гравитация безгранично усиливается, а известные законы физики нарушаются. В 1970-х годах Стивен Хокинг понял, что периметр или «горизонт» черной дыры столь же странен, что создало широко обсуждаемый информационный парадокс. Обе загадки продолжают озадачивать теоретиков и стимулируют поиск единой теории физики.

В 2014 году Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета выявил еще одну загадку: внутренний объем черной дыры. Внешне черная дыра выглядит как большой черный шар. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, шар растет, когда в него падает что-то, но в остальном он просто сидит там.