Заходят как-то в бар протон, квантовая запутанность и черная дыра...

Эта шутка может стать реальностью благодаря недавнему открытию, согласно которому внутренняя структура протона демонстрирует максимальную квантовую запутанность. Это открытие, как ни странно, может указывать на другие, гораздо более масштабные термодинамические объекты: чёрные дыры, говорится в недавнем исследовании, опубликованном в European Physical Journal C.

Конечно, никто не говорит о буквальной черной дыре, скрытой внутри протона, но открытие подобных механизмов в столь крошечном масштабе указывает на редкое совпадение в способе описания физической вселенной, (когда теории о невероятно больших объектах одновременно объясняют скрытые особенности чрезвычайно малых частиц).

Абстрактное изображение гравитации в полуупорядоченной системе. koto_feja / iStock

Заходят как-то в бар протон, квантовая запутанность и черная дыра...

Внутри протонов есть несколько частиц, которые должны быть максимально спутаны друг с другом и, если это не так, то теоретические предсказания не будут соответствовать данным экспериментов, говорится в исследовании. Модель, описываемая теорией, позволяет ученым предположить, что, вопреки общепринятому мнению, физика, происходящая внутри протонов, может иметь много общего с энтропией или температурой. Причем эти  процессы наиболее ярко проявляются, когда речь идет о таких экзотических объектах, как черные дыры.

За этим исследованием стоят два теоретика: Кшиштоф Кутак из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в  Кракове и Мартин Хентшински из Университета Лас Америкас Пуэбла в Мексике. Ученые изучили сценарий, в котором протоны обстреливаются электронами высокой энергии. В тот момент, когда отрицательно заряженный электрон приближается к положительно заряженному протону, происходит взаимодействие, в результате которого электрон отклоняется на новую траекторию.

При электромагнитном взаимодействии между протоном и электроном происходит обмен фотонами и чем сильнее взаимодействие двух частиц, тем больше изменяется импульс фотона, что, в свою очередь, сокращает период электромагнитной волны.

Если фотон обладает слишком малой энергией, он не помещается внутри протона (слева). А вот фотон высокой энергии настолько мал, что проникает внутрь протона, где он "наблюдает" часть протона (справа). Вследствие чего между "видимой" и "невидимой" областями возникает максимальная запутанность. Credit: IFJ PAN

Привнесение энтропии в физику протонов свидетельствует о наличии черных дыр

"Если фотон достаточно "короткий", чтобы "поместиться" внутри протона, он начинает "разгадывать" детали его внутренней структуры. Результатом взаимодействия с таким фотоном может быть распад протона на частицы. Мы показали, что между этими двумя ситуациями существует запутанность. Если при наблюдении за внутренней частью протона фотон приводит к его распаду на некоторое количество частиц, скажем, на три, то количество частиц, исходящих из "невидимой" части протона, определяется количеством частиц, наблюдаемых в его "видимой" части", - рассказывает Кутак в своей публикации на SciTech Daily.

Процедура исследования намного сложнее, но недавняя тенденция квантовых физиков связывать энтропию с внутренним состоянием протона - через хорошо известную концепцию классической термодинамики - позволила исследователям измерить степень неупорядоченного движения между частицами в рассматриваемой системе. Таким образом, неупорядоченное состояние придает системе высокую энтропию, а упорядоченное соответствует низкой энтропии.

Однако остается много физиков, которые твердо убеждены, что протоны сами по себе являются чистым квантовым состоянием, а значит, их невозможно описать с помощью энтропии. В связи с этим новое исследование сделало огромный шаг в продвижении теории протонной запутанности на передний план. И это связано с широким спектром концепций - прежде всего, с законом площадей для горизонтов событий чёрных дыр. А это означает начало новой и захватывающей сферы научной деятельности, которая остро нуждается в дальнейших исследованиях.

Источники: Springer Link,  SciTech Daily
https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-022-10056-y
https://scitechdaily.com/interior-of-protons-exhibit-maximum-quantum-entanglement-may-share-common-physics-with-black-holes/