Физици откриват какво се крие в сърцевината на черна дупка

Ваня Милева Последна промяна на 03 февруари 2025 в 00:00 2166 0

черна дупка - концепция на художник

Кредит Wikimedia Commons
Нови квантови изчисления и машинно обучение дават нова информация за природата на черните дупки.

Изследователски екип използва квантови изчисления и машинно обучение, за да предостави нов поглед върху природата на черните дупки.

Какво има в сърцевината на черната дупка? Изследователски екип, ръководен от Енрико Риналди (Enrico Rinaldi), физик от Мичиганския университет, е използвал квантови изчисления и машинно обучение, за да анализира квантовото състояние на матричен модел, предоставяйки нови прозрения за природата на черните дупки.

Изследването се основава на холографския принцип, който предполага, че фундаменталните теории на физиката на елементарните частици и гравитацията са математически еквивалентни, въпреки че са формулирани в различни измерения.

Теории за черните дупки

Две преобладаващи теории описват черните дупки от гледна точка на различни измерения. В едната рамка гравитацията действа в триизмерната геометрия на черната дупка. За разлика от нея физиката на частиците се ограничава до двуизмерната повърхност, наподобяваща плосък диск. Тази двойственост подчертава ключово различие между двата модела, като същевременно засилва тяхната взаимосвързана природа.

Огромната маса на черната дупка огъва пространство-времето, създавайки гравитационно поле, което се простира в три измерения. Това гравитационно влияние се свързва математически с частиците, които се движат в две измерения над черната дупка. В резултат на това, макар че черната дупка съществува в триизмерното пространство, тя може да изглежда на наблюдателите като проекция на частици.

Някои учени предполагат, че цялата Вселена може да функционира по подобен начин - като холографска проекция на частици. Този подход може да предложи единна квантова рамка за гравитацията. Енрико Риналди обяснява, че в Общата теория на относителността на Айнщайн пространство-времето съществува без частици, докато в Стандартния модел на физиката на елементарните частици частиците съществуват без гравитационни сили. Съгласуването на тези две основополагащи теории остава едно от най-големите предизвикателства пред физиката.

В неотдавнашно проучване, публикувано в PRX Quantum, Риналди и колегите му изследват как квантовите изчисления и дълбокото обучение могат да допринесат за напредъка на изследванията върху холографския дуализъм. Тяхната работа се фокусира върху изчисляването на най-ниското енергийно състояние на квантовите матрични модели - математически конструкции, които могат да помогнат за разгадаването на природата на този дуализъм.

Чрез използването на квантови матрични модели се представя теорията на частиците. Според холографския дуализъм математическите събития, които се случват в система, представяща теорията на частиците, могат да повлияят и на система, представяща гравитацията. По този начин чрез решаването на квантов матричен модел може да се получи представа за явленията, свързани с гравитацията.

Риналди и колегите му са използвали два матрични модела, които са сравнително несложни за решаване с конвенционални средства, но притежават всички характеристики на по-сложните матрични модели, използвани за описание на черни дупки с помощта на холографския дуализъм.

"Надяваме се, че като разберем свойствата на тази теория на частиците чрез числените експерименти, ще разберем нещо за гравитацията", добавя Риналди. "За съжаление все още не е лесно да се решават теориите на частиците. И точно тук компютрите могат да ни помогнат".

В теорията на струните обектите се представят чрез числени матрични модели, където едномерните струни съответстват на частиците в теорията на частиците. Вниманието на изследователите е насочено към определяне на конкретното разположение на частиците в основното състояние, най-ниското енергийно състояние на системата, чрез решаване на тези матрични модели. Ако към системата не се добави нещо, което да я разстрои, тя остава непроменена в естественото си състояние.

"Наистина е важно да се разбере как изглежда това основно състояние, защото след това от него може да се създават други неща", обяснява Риналди. "Така че за един материал да се знае основното състояние е като да се знае например дали е проводник, или е свръхпроводник, дали е наистина здрав, или е слаб. Но намирането на това основно състояние сред всички възможни състояния е доста трудна задача. Ето защо използваме тези числени методи."

Според Риналди числата в матричните модели могат да се разглеждат като песъчинки. Когато пясъкът е равен, това съответства на основното състояние на модела. Но ако в пясъка има вълнички, трябва да се намери начин те да бъдат изгладени. За да се справят с този проблем, изследователите прибягват до квантови схеми.

Тези вериги са представени като проводници, а всеки проводник е свързан с кубит - квантов информационен бит. Върху проводниците са поставени гейтове, които представляват квантови операции, диктуващи начина, по който информацията преминава през проводниците.

"Може да се четат като музика, която се движи от ляво на дясно", добавя авторът. "Ако се чете като музика, на практика на всяка стъпка преобразувате кубитите от началната точка в нещо ново. Но не се знае кои операции трябва да се извършват в хода на работата, кои ноти да се свирят. Процесът на трептене ще настрои всички тези гейтове, за да ги накара да приемат правилната форма, така че в края на целия процес да се достигне до основното състояние. И така, сега се получава цялата тази музика и ако се възпроизведе правилно, накрая се получава основното състояние."

Риналди и колегите му установяват математическото представяне на квантовото състояние на техния матричен модел, което те наричат квантова вълнова функция. Впоследствие те използват уникална невронна мрежа, за да определят основното състояние на матрицата, което е състоянието с най-ниско енергийно ниво.

За да се постигне това, параметрите на невронната мрежа преминават през итеративен процес на оптимизация, чиято цел е да се изравнят всички зърна в кофата с пясък, докато се намери основното състояние на матрицата.

Изследователите успяват да определят основното състояние на двата матрични модела, използвайки и двата метода. Квантовите схеми обаче са били ограничени от ограничения брой кубити, налични в настоящия квантов хардуер. При наличието само на няколко десетки кубита, увеличаването на сложността на схемата би станало непосилно скъпо, подобно на това, че добавянето на твърде много ноти към нотен лист би затруднило точното му изсвирване.

"Другите методи, които обикновено се използват, могат да намерят енергията на основното състояние, но не и цялата структура на вълновата функция", заявява Риналди. "Ние показахме как да получим пълната информация за основното състояние, използвайки тези нови развиващи се технологии - квантовите компютри и дълбокото обучение."

"Тъй като тези матрици са едно от възможните представяния за специален тип черна дупка, ако знаем как са подредени матриците и какви са техните свойства, можем да знаем например как изглежда една черна дупка отвътре. Какво се намира на хоризонта на събитията за черна дупка? Откъде идва тя? Отговорът на тези въпроси ще бъде стъпка към реализирането на квантова теория на гравитацията."

Според Риналди откритията служат като важен етап за предстоящите изследвания на квантовите алгоритми и алгоритмите за машинно обучение. Тези алгоритми могат да бъдат приложени от учените за изследване на квантовата гравитация чрез концепцията за холографската дуалност.

На следващия етап Риналди, заедно с Нори и Ханада, проучва как резултатите от тези алгоритми могат да се разширят до по-обширни матрици и доколко те са устойчиви на влиянието на ефектите на "шума", които могат да доведат до неточности.

Основни компоненти на черните дупки

Черната дупка се състои от няколко основни компонента, всеки от които допринася за нейната сложна природа:

Сингулярност:
В самия център на черната дупка се намира сингулярността - точка, в която гравитацията е толкова силна, че пространство-времето е безкрайно изкривено и законите на физиката, както ги познаваме, се разпадат. Смята се, че това е безкрайно малка, плътна точка.

Хоризонт на събитията:
Хоризонтът на събитията е "точката, от която няма връщане". Щом нещо, включително светлината, премине тази граница, то вече не може да избегне гравитационното привличане на черната дупка. Хоризонтът на събитията определя размера на черната дупка и често е най-разпознаваемата ѝ характеристика.

Фотонна сфера:
Непосредствено извън хоризонта на събитията, фотонната сфера е област, в която светлината може да обикаля около черната дупка поради изключителната ѝ гравитация. Фотоните (светлинни частици) могат временно да обикалят около черната дупка, преди да избягат или да бъдат привлечени навътре.

Акреционен диск:
Много черни дупки са заобиколени от акреционен диск - въртящ се пръстен от газ, прах и друга материя, който се движи спираловидно към хоризонта на събитията. Интензивното триене в диска нагрява материала, като го кара да свети и да излъчва радиация, което често прави черните дупки откриваеми.

Доплерово лъчение (релативистичен лъч):
Доплеровото излъчване възниква, когато материалът, например струи или частици в акреционния диск, се движи с релативистични скорости (близки до скоростта на светлината). Когато материалът се движи към наблюдателя, изпусканото от него лъчение се компресира, което води до увеличаване на яркостта и интензивността. Обратно, материалът, който се отдалечава от наблюдателя, изглежда по-блед.

Ергосфера (за въртящи се черни дупки):
При въртящите се черни дупки (на Кер) има допълнителна област, наречена ергосфера. Тя се намира непосредствено извън хоризонта на събитията и е мястото, където пространство-времето се влачи заедно с въртенето на черната дупка. Обектите в ергосферата все още могат да избягат от гравитацията на черната дупка, ако натрупат достатъчно енергия.

Джетове:
Някои черни дупки, особено тези в активни галактики, могат да изхвърлят мощни струи от заредени частици по оста на въртене. Тези струи могат да изминат огромни разстояния в пространството и се дължат на магнитните полета, генерирани от акреционния диск.

Всяка една от тези части играе роля в оформянето на поведението на черните дупки и взаимодействието им със заобикалящата ги материя и пространство-времето.

Справка: Matrix-Model Simulations Using Quantum Computing, Deep Learning, and Lattice Monte Carlo; Enrico Rinaldi,  Xizhi Han, Mohammad Hassan, Yuan Feng, Franco Nori, Michael McGuigan and Masanori Hanada; PRX Quantum 3, 010324, DOI: https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010324 

Източник: Physicists discover what’s at the core of a black hole, The Brighter Side

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !