Новая физика чёрных дыр: парадокс «вечного роста» и квантовая сложность 1:23
Физика чёрных дыр ставит перед учёными загадки, которые не укладываются в привычные рамки классической термодинамики. Согласно стандартным представлениям, любая изолированная система в конечном итоге приходит в состояние теплового равновесия — «тепловой смерти», когда изменения прекращаются. Однако чёрные дыры ведут себя иначе: внутреннее пространство-время чёрной дыры настолько искривлено, что оно, по-видимому, способно расти бесконечно. Профессор Стэнфордского университета Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) предложил радикальное решение этого парадокса, предположив, что ключом к пониманию является не классическая энтропия, а так называемая «квантовая сложность».
Загадка внутренней геометрии 2:47
В основе современных представлений о чёрных дырах лежат диаграммы Пенроуза — графические карты, описывающие эволюцию пространства-времени. В этих моделях наблюдается странное явление: после того как внутреннее пространство чёрной дыры достигает минимального размера, оно начинает расширяться и расти.
Долгое время физики не могли объяснить природу этого роста. Стандартная концепция энтропии, пришедшая из физики паровых машин XIX века, здесь не помогала.
- Энтропия классической системы, например, смеси кофе и молока, быстро достигает максимума, после чего «стрела времени» как бы останавливается.
- Чёрная дыра достигает термодинамического равновесия очень быстро.
- Тем не менее, судя по диаграммам Пенроуза, её внутреннее расширение продолжается в течение невероятно долгого времени.
По мнению Сасскинда, это означает, что даже после наступления «тепловой смерти» в системе продолжают происходить процессы, которые он связал с квантовой сложностью.
Квантовая сложность: что происходит после «тепловой смерти» 5:13
Чтобы описать продолжающийся рост, Сасскинд и его коллеги обратились к математике теоретической информатики. Они опираются на принцип Фейнмана: количество квантовых состояний системы растет экспоненциально в зависимости от числа кубитов.
Система не просто стремится к состоянию с максимальной энтропией, она «блуждает» по колоссальному пространству состояний.
- Энтропия: описывает степень неупорядоченности и быстро достигает равновесия.
- Квантовая сложность: измеряет количество операций (или «логических вентилей»), необходимых для создания квантового состояния из простого начального состояния.
Сасскинд утверждает, что объём внутренней области чёрной дыры — это прямое отражение сложности её квантового состояния. Таким образом, даже когда термодинамическая «стрела времени» останавливается, сложность продолжает расти.
Скептицизм и проверка криптографией 8:03
Идея связи между физическим объёмом чёрной дыры и абстрактной «сложностью квантовых цепей» была встречена научным сообществом с долей скепсиса. Адам Буланд (Adam Bouland), специалист по теории сложности, признается, что поначалу концепция казалась ему «нефизической», так как сложность вычислений — это величина, которую крайне трудно измерить.
Однако в ходе исследования Буланд и его коллеги применили методы современной криптографии, чтобы протестировать теорию Сасскинда.
- Они сравнили хаотическое перемешивание информации в квантовой системе с принципом работы блочных шифров, используемых в криптовалютах.
- Результаты оказались неожиданными: они не опровергли, а, наоборот, в определенном смысле подтвердили догадки Сасскинда.
- Буланд отмечает, что предложенный Сасскиндом подход оказался единственным логичным способом разрешить парадокс.
Второй закон квантовой сложности 10:17
На основании своих выводов Сасскинд предложил сформулировать Второй закон квантовой сложности. По аналогии со Вторым законом термодинамики, этот принцип постулирует, что квантовая сложность системы в среднем всегда увеличивается, пока не достигнет своего максимума.
Сам Сасскинд признает, что это пока не доказанный закон, а скорее смелая гипотеза (конъектура). На текущем этапе она наиболее применима именно к чёрным дырам, и вопрос о том, применима ли она ко всей Вселенной в целом, остается открытым.
Тем не менее, этот переход к «фундаментально квантовому языку» описания реальности может стать поворотным моментом в физике. По мнению авторов исследования, мы начинаем лучше понимать устройство мира, перестав пытаться описать его через классические приближения и полностью приняв квантовую природу реальности.
