Что находится внутри черной дыры: есть ли у физиков ответ?

Чтобы понять, что может находиться внутри черной дыры и какие процессы там происходят, физики используют квантовые вычисления и машинное обучение. Что же они смогли выяснить?

При помощи квантового компьютера и нейросети исследователи смогли частично «заглянуть» внутрь черной дыры

Физик из Мичиганского университета использует квантовые вычисления и машинное обучение, чтобы лучше понять идею, называемую голографической двойственностью, которая лежит в основе понимания тех процессов, что происходят в недрах черных дыр.

Голографическая двойственность — это математическая гипотеза, которая соединяет теории частиц и их взаимодействий с теорией гравитации. Эта гипотеза предполагает, что теория гравитации и теория частиц математически эквивалентны: то, что происходит математически в теории гравитации, происходит в теории частиц, и наоборот.

Обе теории описывают разные измерения, но количество измерений, которые они описывают, отличается на единицу. Так, например, внутри черной дыры гравитация существует в трех измерениях, в то время как теория частиц описывает процессы в двух измерениях, представляя процессы в плоском диске.

Чтобы представить себе это, подумайте еще раз о черной дыре, которая искажает пространство-время из-за своей огромной массы. Гравитация черной дыры, которая существует в трех измерениях, математически связана с частицами, движущимися над ней, в двух измерениях. Следовательно, черная дыра существует в трехмерном пространстве, но мы видим ее как двумерную проекцию благодаря частицам.

Некоторые ученые теоретизируют, что вся наша Вселенная представляет собой голографическую проекцию частиц, и это понимание может открыть физикам квантовую теорию гравитации, если появятся сколь либо убедительные научные доказательства. 

В опубликованном в 2022 году исследовании физики решили изучить голографическую двойственность с помощью квантовых вычислений и глубокого обучения, чтобы найти состояние с наименьшей энергией в квантовых матричных моделях. Для исследования авторы использовали две матричные модели, достаточно простые для решения традиционными методами, но обладающие всеми особенностями более сложных матричных моделей, используемых для описания черных дыр через голографическую двойственность.

Эти матричные модели представляют собой объекты в теории струн, в которых частицы представлены одномерными строками. Когда исследователи решают подобные матричные модели, они пытаются найти конкретную конфигурацию частиц в системе, которая представляет собой состояние с наименьшей энергией системы, называемое основным состоянием. Физики показали, что при помощи двух различных методов возможно найти это основное состояние.

Результаты работы показывают важный ориентир для будущих исследований, проведенных при помощи алгоритмов квантового и машинного обучения. Их ученые могут использовать для исследования квантовой гравитации с помощью идеи голографической двойственности.