Ученые связали рождение черных дыр с возникновением теплового равновесия в квантовых системах
Российские ученые из Математического института имени В.А. Стеклова РАН изучили, как устанавливается тепловое равновесие в квантовой системе, не взаимодействующей с окружающей средой. Поведение такой системы описывается с помощью голографического подхода как столкновение пары частиц, которое порождает черную дыру. Полученные данные не только свидетельствуют о возможности трактовки некоторых квантовых явлений в рамках классической гравитационной физики, но и помогают объяснить явления, происходящие в ускорителях при столкновениях тяжелых ионов. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в Journal of High Energy Physics.
Большинство физических явлений, с которыми мы встречаемся в обычной жизни, описываются законами классической механики. Они применимы к макроскопическим системам, но на уровне атомов, фотонов и электронов оказываются несостоятельными. Здесь на помощь приходит квантовая физика со своими особыми принципами. Понятия температуры и теплового равновесия, совершенно привычные в жизни, где мы взаимодействуем с классическими объектами, на квантовом уровне приобретает новый смысл. Замкнутая (не взаимодействующая с окружающей средой), изначально неравновесная квантовая система из многих взаимодействующих частиц может перейти в состояние, для наблюдателя неотличимое от теплового равновесия. Этот переход, называемый термализацией, выполняется при условии, что взаимодействие между частицами достаточно сильное.
«В данной работе выполнено теоретическое исследование процесса установления термодинамического равновесия в замкнутой квантовой системе после двух точечных возбуждений. Обычно задачи квантовой физики разрешаются с применением аппарата квантовой теории поля, однако мы исследовали систему в режиме сильного взаимодействия, при котором основные методы квантовой теории поля неприменимы. Мы использовали подход, основанный на голографическом принципе. Он состоит в том, что квантовая двумерная система, которая «живет» на границе специального искривленного 3D-пространства, называемого пространством анти-де Ситтера, может быть описана внутри него классической гравитационной физикой. Таким образом, трехмерное пространство вместе со всем, что происходит внутри, играет роль голограммы, иллюстрирующей происходящее непосредственно в нашей физической системе. Согласно общим соображениям голографического метода, голограммой для термализации системы после двух точечных возбуждений является процесс образования черной дыры в результате столкновения двух частиц внутри пространства анти-де Ситтера», – рассказывает один из авторов работы, аспирант Математического института имени В.А. Стеклова РАН Михаил Храмцов.
Хотя используемые в работе методы являются чисто теоретическими, изучаемую модель можно воспроизвести, рассмотрев следующую экспериментальную ситуацию. Представим некий набор атомов, запертых в специальном устройстве, магнитной ловушке, при очень низкой температуре. В идеальном случае, если позволяет оборудование, температура близка к абсолютному нулю, при котором колебания и хаотическое движение частиц прекращаются. Теперь одновременно облучим два отдельных удаленных друг от друга атома с помощью лазеров: они получат излишек энергии, который им необходимо как-то израсходовать. Единственный выход для частиц в ловушке – переизлучить его в виде тепла или света. При этом соседние атомы вынужденно поймают испускаемую энергию. Они, в свою очередь, будут передавать возбуждение уже своим соседям и так далее. С течением времени система равномерно распределит полученную энергию по всем своим составляющим и придет в состояние теплового равновесия. По сути, даже сильно удаленные и, казалось бы, никак не связанные атомы начинают оказывать влияние друг на друга – проявляется распространение так называемой квантовой запутанности. Ученые провели детальное исследование этого явления в своей модели и выяснили, что оно имеет ряд интересных свойств. В частности, было показано, что вдали от источников возбуждений квантовая запутанность распространяется волновым образом с четко определенной скоростью.
«Термализация замкнутых квантовых систем является одним из важных актуальных направлений как теоретических, так и экспериментальных исследований. Наша работа, по существу, предлагает новый метод экспериментального исследования, который может быть использован при описании процессов разогрева кварк-глюонной плазмы (высокотемпературной смеси свободных кварков и глюонов), которая образуется при столкновениях тяжелых ионов на таких ускорителях, как Большой адронный коллайдер и релятивистский коллайдер RHIC. В дальнейшей работе перспективными являются направления, как связанные с изучением термализации более сложных начальных состояний, так и относящиеся к детальному изучению связи с проблемой потери информации в черных дырах и неравновесной физикой квантовых систем», – заключает Михаил Храмцов.
В России только группа в Математическом институте имени В.А. Стеклова РАН под руководством профессора И.Я. Арефьевой целенаправленно проводит исследования в направлении теоретического изучения сложных систем вне рамок квантовополевой теории возмущений голографическим методом. Ученые надеются, что в рамках проектов РНФ им удастся привлечь к исследованию больше молодых коллег.