Credit imagine: QuantaMagazine

Ieri revista Quanta a publicat un articol intitulat: Physicists create a wormhole using a quantum computer. La bază stă un articol din revista Nature (articolul nu poate fi citi „liber”; rezumatul îl puteți găsi la finalul articolului de față). Studiul a fost imediat preluat și transpus într-un articol mai degrabă decent de New York Times (Physicists create „the smallest, crummiest wormhole you can imagine”), dar și alte publicații, într-o notă care anunța o descoperire epocală, asemănătoare cu măsurarea pentru prima dată a undelor gravitaționale.

Și la noi diverse publicații au tradus rapid, fiecare cum s-a priceput, un articol din The Guardian (nu mi-e clar de ce de aici; probabil pentru că este mai scurt decât cel din New York Times).

Dar chiar au creat fizicienii o gaură de vierme? Dacă nu, ce au făcut?


Notă: Găurile de vierme (denumite și „poduri” Einstein-Rosen, de la cei doi fizicieni care dezvoltat conceptul) reprezintă soluții ale ecuațiilor teoriei generale a relativității (teoria modernă a gravitației). Teoretic, prin intermediul găurilor de vierme, două zone îndepărtate din univers ar putea fi unite între ele, ceea ce ar permite călătoria rapidă dintr-un punct în altul al universului, fără a fi nevoie de depășirea vitezei luminii (care este considerată imposibilă).

Cum spuneam, NYTimes prezintă studiul într-o notă rezervată. Iată principalele idei.

1. Experimentul a încercat să utilizeze matematica specifică teoriei relativității generale pentru a examina teleportarea cuantică și pentru a observa dacă pot fi identificate aspecte necunoscute ale fizicii (și în legătură cu gravitația).

2. Experimentul a fost influențat de o serie de lucrări anterioare ale altor fizicieni, care au sugerat că găurile de vierme ar putea fi traversabile, condiția fiind aceea a asigurării unei mici cantități de „energie negativă” la ieșirea din gaura de vierme, care să permită informației să scape.
În fizica clasică nu există conceptul de „energie negativă”. Mecanica cuantică permite apariția, din „nimic” a unor perechi de particule (particulă-antiparticulă) denumite virtuale, care în mod normal apar și dispar rapid. În preajma orizontului evenimentelor al unei găuri negre (granița dintre ce e în interiorul și exteriorul găurii negre) aceste perechi de particule virtuale pot avea o evoluție interesantă: una intră în gaura neagră și nu mai poate scăpa, iar cealaltă rămâne pe linia orizontului evenimentelor ori în dincolo de acesta, în afara găurii negre. Particulele nu se mai anihilează reciproc, iar fenomenul a fost asemuit cu o evaporare a găurii negre, deși particulele care sunt asociate cu această radiație a găurii negre sunt cele din afara acesteia.
Conceptul de „energie negativă” apare în acest context. Energia totală a celor două particule virtuale este zero. Când una dintre particule este „atrasă” în gaura neagră, cele două particule devin „reale”, cea „pozitivă” reprezintă „radiația Hawking”, iar cea negativă, din gaura neagră, reduce energia totală a găurii negre (din nou, acesta este fenomenul de „evaporare” a unei găuri negre, descris de Stephen Hawking, în urma unei discuții cu fizicieni ruși în a doua parte a sec. XX).
Ok, cum vă puteți imagina, NYTimes nu spune atâtea, dar am vrut să lămuresc un pic subiectul „energiei negative” pentru cei interesați.
 Notă: în ce privește conceptul de „energie negativă”, acesta este unul contestat de mulți fizicieni. La finalul articolului am adăugat o explicație care este mai aproape de sensul dat de cel care a descoperit „radiația Hawking, Stephen Hawking”.

3. Unul dintre fizicienii care au fost implicați în experiment, Maria Spiropulu, fizician de origine greacă ce lucrează la Institutul de tehnologie California din SUA,  a propus crearea unei găuri de vierme pe un computer cuantic.

4. Experimentul a fost executat pe un computer al Google denumit Sycamore 2, care folosește 72 de qubiți, dar, în fapt, fizicienii au utilizat doar 9 qubiți, pentru a diminua zgomotul și interferențele din sistem. Doi qubiți au fost de referință, jucând rolul de „intrare” și „ieșire” al sistemului.

5. Ceilalți 7 qubiți au avut rolul de a păstra două copii ale codului care conținea o versiune a unui model simplu de univers holografic denumit SYK.
În experiment, sistemele SYK simulând cele două „găuri negre”, unul având rolul de a transforma mesajul conținut pentru a-l face neinteligibil, iar celălalt pentru a-l extrage din sistem.

6. Unul dintre cei 8 fizicieni implicați în experiment, Joseph D. Lykken, explică în felul următor experimentul: un qubit (care conținea mesajul inițial) interacționează cu un alt qubit (prima copie a qubitului SYK), iar mesajul inițial este pierdut. Apoi cele două sisteme SYK sunt conectate, un șoc de energie negativă a fost transmis de la primul sistem la cel de-al doilea, „deschizându-l” pe cel de-al doilea pentru o perioadă foarte scurtă. Apoi semnalul original a apărut în forma sa inițială în cel de-al nouălea qubit (atașat de al doilea sistem SYK), care a reprezentat partea finală a găurii de vierme. Surpriza cea mare pentru cercetători a fost aceea că mesajul inițial a trecut prin sistem, iar la final, deși fusese distrus, a ieșit nemodificat.

7. Așa-zisa gaură de vierme a avut dimensiunea de 3 lungimi Plank (lungimea Plank este cea mai mică dimensiune posibilă, cu valoarea 10-33 cm.)



Credit: QuantaMagazine



Critici la studiul menționat

În cursul zilei de astăzi au fost observate o serie de comentarii critice din lumea fizicienilor.

În primul rând trebuie spus că, dincolo de titlul bombastic din Quanta, în articolul original din Nature cercetătorii spun că ce au făcut reprezintă „o încercare reușită de a observa dinamica unei găuri de vierme traversabile.

Articolul din NYTimes începe, sobru, prezentând câteva opinii ale unor fizicieni care nu au fost implicați în studiu.
- „gaura de vierme” nu este un tunel prin spațiu-timp, ci unul printr-un spațiu cu două dimensiuni „emergent”.
- rezultatul studiului se aplică unui model simplicat al universului.
- Scott Aaronson, expert în matematică cuantică, este destul de critic: „dacă acest experiment a recreat o gaură de vierme, atunci asta facem ori de câte ori desenăm una pe hârtie”.
- Daniel Harlow, fizician de la MIT, spune că experimentul a folosit un model al gravitației cuantice atât de simplu (ne lipsește o teorie a gravitației cuantice deocamdată. n.n.), că ar fi putut fi studiat cu un creion și o hârtie (nu era nevoie de calculatoare cuantice. n.n.), adăugând că nu am învățat nimic ce nu știam deja despre gravitația cuantică.

Într-un mesaj lung pe Twitter, fiziciana germană Sabine Hossenfelder spune că:
- „Nu, nu au creat nicio gaură de vierme. Este un titlu care dezinformează deliberat cititorii”. „Această „gaură de vierme” este un termen pompos pentru un pic de matematică, pe care dacă o folosești, demonstrezi că orice la temperatura camerei este o gaură neagră. Pui apă într-o chiuvetă? Ai o gaură neagră”. „Nu testează deloc gravitația cuantică”. „Nu am învățat nimic nou, pentru că matematica este cunoscută de multă vreme”.

Peter Woit, matematician la Universitatea Columbia, oferă chiar și mai mult context într-un articol pe pagina sa de pe site-ul universității:
-  articolul nu a fost publicat în mod gratuit, pentru a putea fi citit de toți doritorii;
- în jurul experimentului s-a făcut multă vâlvă, acesta fiind prezentat și pe coperta revistei Nature;
- doi dintre fizicienii care au fost implicați în experiment, Joe Lykken și Maria Spiropulu, sunt cunoscuți pentru tendința de a exagera rezultatele obținute în cercetare

În fine, merită menționat că Natalie Wolchover, cea care semnează articolul din revista Quanta și care este una dintre cele mai bune scriitoare de popularizare a științei, își apără abordarea pe Twitter, răspunzând criticilor. Pentru cei interesanți, discuția este una interesantă, pentru că deși participă și mulți neofiți, sunt și fizicieni care intervin în discuție, cu argumente pro și contra interesante.

Cred că am explicat suficient de bine mai sus ce înseamnă de fapt experimentul pentru a nu fi nevoie de vreo concluzie separată. Dacă experimentul are totuși importanța sa, vom vedea în perioada următoare, în sensul că vom vedea dacă vor fi alți cercetători care vor duce mai departe această abordare, cu rezultate superioare.

Actualizare 02.12.2022: în urma numeroaselor critici, revista Quanta a modificat titlul articolului, varianta finală devenind: „Physicists Create a Holographic Wormhole Using a Quantum Computer”.

Actualizare 04.12.2022:
 În ce privește conceptul de energie negativă, cum corect a menționat „Alex” în comentariul său, explicația oferită mai sus este cea de popularizare oferită de fizicianul Stephen Hawking în cartea sa „O scurtă istorie a timpului”.
 Interesant este că explicația din carte nu este cea oferită de Hawking în articolul său din 1974 referitor la radiația Hawking, unde, în introducere spune următoarele: „pare că orice gaură neagră va crea și emite particule, precum neutrino și fotoni, la rata așteptată în cazul în care gaura neagră ar fi un corp cu temperatura de (κ/2π) (ħ/2k) ≈ 10−6 (M/M)K unde κ este gravitația la suprafața găurii negre. Pe măsură ce gaura neagră emite această radiație termică, este de așteptat ca aceasta să piardă masă, ceea ce va duce la o creștere a gravitației de suprafață și a ratei de emisie”.
 Alți autori arată că explicația privind „energia negativă” din „O scurtă istorie a timpului” nu este corectă și nu reflectă ce a scris Hawking în lucrarea sa științifică.
 Mai jos puteți citi, în sinteză, explicația lui Ethan Siegel, un cunoscut autor de popularizare a științei, prezentată într-un articol pe Medium:
- radiația Hawking nu este cauzată de generarea de perechi de particule și antiparticule în zona evenimentului orizontului și nu implică atragerea în gaura neagră a unei particule din aceste perechi ce conține „energie negativă”.
- motivul pentru care găurile negre se evaporă este acela că energia emisă de radiția Hawking reduce lent nivelul de curbare a spațiului.
- Hawking, în demonstrarea radiației Hawking în 1974, în fapt, a calculat diferența dintre energia vidului (sau a „punctului-zero”) a câmpurilor cuantice dintr-o zonă curbată din jurul unei găuri negre și cea dintr-un spațiu „plat” (necurbat) aflat la o distanță infinită (energia punctului-zero este cel mai mic nivel de energie posibil al unui sistem cuantic, descris de principiul incertitudinii al lui Heisenberg, care nu este zero, pentru că vidul conține cel puțin câmpuri cuantice care vibrează și care, prin urmare, conțin energie).
- rezultatele acestor calcule ne spun: a) temperatura radiației, care depinde de masa găurii negre; b) spectrul radiației (un corp negreu perfect, indicând distribuția de energie a fotonilor și a altor particule și antiparticule) și c) originea radiației găurii negre (care nu este limitată doar la zona orizontului evenimentelor).
 Explicația detaliată o puteți lectura în articolul menționat mai sus.


În final, videoclipul care prezintă experimentul:

 

Abstract (articol original / Nature)
The holographic principle, theorized to be a property of quantum gravity, postulates that the description of a volume of space can be encoded on a lower-dimensional boundary.
The anti-de Sitter (AdS)/conformal field theory correspondence or duality is the principal example of holography.
The Sachdev–Ye–Kitaev (SYK) model of N>1 Majorana fermions has features suggesting the existence of a gravitational dual in AdS2, and is a new realization of holography.
We invoke the holographic correspondence of the SYK many-body system and gravity to probe the conjectured ER=EPR relation between entanglement and spacetime geometry through the traversable wormhole mechanism as implemented in the SYK model.
A qubit can be used to probe the SYK traversable wormhole dynamics through the corresponding teleportation protocol. This can be realized as a quantum circuit, equivalent to the gravitational picture in the semiclassical limit of an infinite number of qubits.
Here we use learning techniques to construct a sparsified SYK model that we experimentally realize with 164 two-qubit gates on a nine-qubit circuit and observe the corresponding traversable wormhole dynamics.
Despite its approximate nature, the sparsified SYK model preserves key properties of the traversable wormhole physics: perfect size winding, coupling on either side of the wormhole that is consistent with a negative energy shockwave, a Shapiro time delay, causal time-order of signals emerging from the wormhole, and scrambling and thermalization dynamics.
Our experiment was run on the Google Sycamore processor. By interrogating a two-dimensional gravity dual system, our work represents a step towards a program for studying quantum gravity in the laboratory. Future developments will require improved hardware scalability and performance as well as theoretical developments including higher-dimensional quantum gravity duals and other SYK-like models.

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.
  • This commment is unpublished.
    Nelu · 2 months ago
    Au căutat gaura de vierme în spagheta care, de fapt, era macaroană.
  • This commment is unpublished.
    Incert · 2 months ago
    Eu cred ca aceasta simulare a dorit sa demonstre ca poate fi "teleportata" printr-o gaura neagra fara a fi distrusa - dar n-am idee in ce masura demonstratia e valida.
  • This commment is unpublished.
    Alex · 2 months ago
    "Conceptul de „energie negativă” apare în acest context. Energia totală a celor două particule virtuale este zero. Când una dintre particule este „atrasă” în gaura neagră, cele două particule devin „reale”, cea „pozitivă” reprezintă „radiația Hawking”, iar cea negativă, din gaura neagră, reduce energia totală a găurii negre (din nou, acesta este fenomenul de „evaporare” a unei găuri negre, descris de Stephen Hawking, în urma unei discuții cu fizicieni ruși în a doua parte a sec. XX)"

    Consider scientia.ro singurul site serios in zona stiintifica din Romania si de aceea as vrea sa amendez strict acest paragraf.Este o teorie pe care(din motive pe care nu le inteleg) o propaga multe surse,in fapt este explicatia cel mai des intalnita legata de radiatia Hawking.
    Un articol detaliat care explica ce este in mod real radiatia Hawking:
    https://medium.com/starts-with-a-bang/yes-stephen-hawking-lied-to-us-all-about-how-black-holes-decay-da664803df56

    Aceeasi explicatie o ofera si Leonard Susskind in discutiile despre gaurile negre,usor de gasit pe YT,identica cu cea ce poate fi gasita  urmarind acelasi subiect pe site-ul New Scientist(o sa postez un fragment fara link deoarece este un site pe baza de abonament):




  • This commment is unpublished.
    Alex · 2 months ago
    "The “naive” explanation of the event horizon “eating” negative energy particles while their positive energy counterparts escape to infinity is really untenable, not just because of the wavelengths involved, but also because the horizon remains (from any external frame of reference) forever in the future. (Moreover, if the black hole evaporates in finite time, the horizon may never even form.)

    In any case, when we look at Hawking’s own 1974 paper in Nature, it’s not about negative energy particles eaten by the horizon. Rather, Hawking describes a spherically symmetric gravitational collapse, for which he demonstrates that even in the absence of incoming particles, there will be a steady flux of outgoing radiation. This is similar in principle to the Unruh radiation experienced by an accelerating observer, and does not require the existence of a bona fide, “physical” event horizon (though accelerating observers will of course see a corresponding Rindler horizon).

    As to why Hawking’s popular science book contained an explanation that is at odds with his own paper, I have no idea, but it truly is misleading."

Dacă găsești site-ul util, ne poți ajuta cu o DONAȚIE