Астрономы выяснили, что скрывается в центре черной дыры — это невероятно!

На протяжении многих лет ученые пытались разгадать тайну центра черной дыры. Теперь команда под руководством Энрико Ринальди применяет квантовые вычисления и машинное обучение с использованием сложной матричной модели. Ринальди отмечает, что этот подход позволяет лучше понять черные дыры, чем когда-либо прежде.

Квантовые технологии и черные дыры

Исследования этой команды основаны на голографическом принципе, который предполагает, что две, казалось бы, разные сферы физики на самом деле взаимосвязаны. Одна из этих сфер описывает гравитацию в трехмерном пространстве, в то время как другая касается частиц, находящихся на двумерной плоскости. Несмотря на различия в размерности, считается, что обе модели отражают одну и ту же фундаментальную реальность.

Согласно данной теории, масса черной дыры искажает структуру пространство-времени, образуя глубокий гравитационный колодец. Это притяжение проявляется в трех измерениях, но при этом связано с частицами, находящимися на плоской двумерной поверхности. На расстоянии черная дыра может восприниматься как проекция, состоящая только из частиц, однако за этой иллюзией скрыта глубокая взаимосвязь между пространством, временем и материей.

Некоторые ученые полагают, что концепция голографии может распространяться на всю Вселенную. Если это действительно так, то само пространство может оказаться проекцией более основополагающего набора квантовых законов.

В общей теории относительности Альберта Эйнштейна пространство-время представлено как реальность без частиц, объясняет Ринальди. В то же время Стандартная модель физики частиц описывает существование частиц, при этом игнорируя влияние гравитации. Поиск связующего звена между этими двумя концепциями остается одной из самых сложных и нерешенных задач в физике.

Матричные модели и численные эксперименты

Чтобы решить эту проблему, Ринальди и его команда применили квантовые компьютеры и технологии глубокого обучения для изучения матричных моделей. Эти модели представляют собой математические структуры, которые предполагают возможность объединения частиц и гравитации в единую систему. Их целью было определить основное состояние матрицы — минимально возможный энергетический уровень, который может дать представление о природе пространства и времени.

Сочетая квантовое оборудование с современными алгоритмами, исследователи создают инструменты для анализа сложных вопросов, касающихся структуры Вселенной. Хотя полученные выводы не полностью раскрывают загадки черных дыр, они существенно расширяют понимание этой темы.

Применение квантовых матричных моделей является основой для понимания теории частиц. Согласно принципам голографической дуальности, математические процессы, происходящие в системе, связанном с теорией частиц, могут оказывать влияние на систему, описывающую гравитацию. Это означает, что, разрешая квантовую матричную модель, исследователи могут получить новые знания о явлениях, связанных с гравитационными взаимодействиями.

Ринальди и его команда работали с двумя матричными моделями, которые относительно просто решаются с использованием традиционных методов, но в то же время обладают всеми необходимыми характеристиками, присущими более сложным матричным моделям, применяемым для описания черных дыр в контексте голографической двойственности. Это создает основу для дальнейших исследований.

«Наша цель заключается в том, чтобы, исследуя свойства этой теории частиц с помощью численных экспериментов, мы могли бы продвинуться в понимании гравитации, — заметил Ринальди. — Однако, к сожалению, задачи, связанные с теорией частиц, продолжают оставаться достаточно сложными. В этой связи современные компьютеры могут оказать нам значительное содействие».

Струны, песчинки и квантовые схемы

В теории струн объекты описываются числовыми матричными моделями, где одномерные струны соответствуют частицам. Исследователи пытаются определить расположение частиц в основном состоянии с минимальной энергией, решая эти матричные модели. Если система не подвержена внешним воздействиям, она сохраняет свое естественное состояние.

Ринальди подчеркивает важность понимания основного состояния материала, поскольку это знание позволяет определить его свойства, такие как проводимость или прочность. Однако нахождение этого состояния среди множества возможных вариантов представляет собой сложную задачу, что и объясняет использование численных методов.

Он сравнивает числа в матричных моделях с песчинками: ровный песок символизирует основное состояние, а рябь на песке необходимо сгладить. Для решения этой проблемы исследователи применяют квантовые схемы, где провода связаны с кубитами, а вентили осуществляют квантовые операции, определяющие поток информации.

Ринальди и его команда разработали математическую модель, которая представляет квантовое состояние в виде так называемой квантовой волновой функции. Позже они внедрили уникальную нейронную сеть, предназначенную для нахождения основного состояния матрицы, то есть состояния с минимальным уровнем энергии. Для достижения этой цели параметры нейронной сети подвергались итеративной оптимизации, что напоминало процесс выравнивания песчинок в ведре с песком, пока не было найдено основное состояние матрицы.

Исследователям удалось определить основное состояние для двух различных матричных моделей, использовав оба метода. Однако квантовые схемы сталкивались с ограничениями, связанными с количеством доступных кубитов в современном квантовом оборудовании. При наличии всего лишь нескольких десятков кубитов усложнение схемы становилось крайне затруднительным.

«Существуют другие методы, которые в основном позволяют лишь определить энергию основного состояния, но не дают всей картины структуры волновой функции, — отметил Ринальди. — Мы продемонстрировали, как можно извлечь полную информацию об основном состоянии, используя новейшие технологии, такие как квантовые компьютеры и глубокое обучение».

«Поскольку эти матрицы представляют собой одно из возможных описаний особого типа черных дыр, понимание их структуры и свойств может дать нам представление о том, как устроена черная дыра изнутри. Какие процессы происходят на горизонте событий черной дыры? Как формируется этот загадочный феномен? Ответы на эти вопросы могут стать значительным шагом к разработке квантовой теории гравитации», — объяснил Ринальди.

Он подчеркнул, что полученные результаты являются важной вехой для будущих исследований в сфере квантовых алгоритмов и машинного обучения. Эти алгоритмы могут помочь ученым в изучении концепции квантовой гравитации через призму голографической двойственности.

На следующем этапе исследования Ринальди намерен рассмотреть, как результаты работы этих алгоритмов могут быть применены к более крупным матрицам и как они ведут себя в условиях «шумовых» эффектов, которые способны вызвать значительные неточности в вычислениях.

Архитектура черной дыры

Черная дыра представляет собой невероятно сложный объект, состоящий из нескольких ключевых компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную роль в ее природе.

Сингулярность

В центре черной дыры располагается сингулярность — точка с бесконечно сильной гравитацией, где пространство-время искривлено до предела, и законы физики перестают действовать. Эта область считается бесконечно маленькой и с бесконечно высокой плотностью.

Горизонт событий

Горизонт событий представляет собой «точку невозврата» вокруг черной дыры. Когда что-либо, включая свет, пересекает эту границу, оно уже не может вырваться из гравитационного поля черной дыры. Он задает размер черной дыры и является одной из самых заметных ее характеристик.

Фотонная сфера

Сразу за горизонтом событий расположена фотонная сфера — зона, где свет способен вращаться вокруг черной дыры под действием ее мощной гравитации. В этой области фотоны, или частицы света, могут временно двигаться по орбите, прежде чем либо покинуть это пространство, либо быть втянутыми внутрь черной дыры.

Аккреционный диск

Черные дыры часто окружены аккреционным диском — вращающимся кольцом из газа, пыли и других материалов, которые движутся по спирали к горизонту событий. Сильное трение в диске нагревает вещества, заставляя их светиться и излучать, что делает черные дыры заметными.

Эффект Доплера

Эффект Доплера возникает, когда вещества, такие как струи в аккреционном диске, движутся с релятивистской скоростью. Если вещество движется к наблюдателю, его излучение сжимается, увеличивая яркость и интенсивность. В то же время, если вещество удаляется от наблюдателя, оно выглядит более тусклым.

Эргосфера

Во вращающихся (Керровских) черных дырах есть область, называемая эргосферой, расположенная за горизонтом событий. Это пространство-время вращается вместе с черной дырой. Объекты внутри эргосферы могут избежать гравитации черной дыры, если получат достаточное количество энергии.

Джеты

Некоторые черные дыры, особенно те, что находятся в активных галактиках, способны выбрасывать мощные джеты заряженных частиц вдоль своей оси вращения. Эти джеты могут распространяться на огромные расстояния в космосе и формируются благодаря магнитным полям, создаваемым аккреционным диском вокруг черной дыры.

Каждая из этих частей играет важную роль в поведении черных дыр и их взаимодействии с окружающей материей и пространством-временем.