Eine abstrakte Darstellung der Schwerkraft in einem halbgeordneten System. koto_feja / iStock
Protonen, Quantenverschränkung und ein Schwarzes Loch laufen in einen Balken.
Dieser Witz könnte dank der jüngsten Entdeckung, dass Fragmente des Inneren eines Protons eine maximale Quantenverschränkung aufweisen, tatsächlich irgendwo hinführen – ein Fund, der bizarrerweise auf ein anderes, viel größeres thermodynamisches Objekt hinweisen könnte: Schwarze Löcher, so eine kürzlich veröffentlichte Studie inder Europäisches Physikalisches Journal C.
Obwohl, nein – niemand spricht von einem buchstäblichen schwarzen Loch, das in einem Proton versteckt ist das ergibt keinen Sinn, bedeutet die Entdeckung ähnlicher Physik in einem so kleinen Maßstab eine seltene Überschneidung in der Art und Weise, wie wir das physikalische Universum beschreiben –wo Theorien über extrem große Dinge auch verborgene Merkmale von unsäglich kleinen Dingen beschreiben.
Quantenverschränkung, Protonen und Schwarze Löcher laufen in einen Balken
Im Inneren von Protonen gibt es mehrere Fragmente, die maximal miteinander verschränkt werden müssen – wenn dies nicht der Fall ist, würden theoretische Vorhersagen laut der Studie nicht mit Daten aus Experimenten übereinstimmen. Das von der Theorie beschriebene Modell lässt dies zudie Wissenschaftler, entgegen dem Konsens vorzuschlagen, dass die Physik, die im Inneren von Protonen vor sich geht, viel mit Entropie oder Temperatur gemeinsam haben könnte.
Und diese Prozesse sind am ausgeprägtesten, wenn es um exotische Objekte geht, wie schwarze Löcher.
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Zwei Theoretiker stehen hinter dieser Studie: Krzysztof Kutak vom Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften IFJ PAN im polnischen Krakau und Martin Hentschinski von der Universidad de las Americas Puebla in Mexiko.
Gemeinsam bewerteten die beiden ein Szenario, in dem Elektronen auf Protonen geschossen werden. Ein ankommendes Elektron mit einer negativen elektrischen Ladung wird interagieren, wenn es sich einem positiv geladenen Proton nähert – was dazu führt, dass letzteres das erstere auf einen neuen Weg ablenkt.
Elektromagnetische Wechselwirkung ist, wenn ein Photon zwischen dem Proton und dem Elektron ausgetauscht wird – je stärker die beiden Teilchen interagieren, desto größer ist die Impulsänderung des Photons, was wiederum die Zeit des elektromagnetische Welle.
Das Einbringen von Entropie in die Protonenphysik bedeutet Schwarze Löcher
„Wenn ein Photon ‚kurz‘ genug ist, um in ein Proton [zu passen], beginnt es, Details seiner inneren Struktur ‚aufzulösen‘“, sagte Kutak in einem Bericht von SciTech Daily. "Das Ergebnis der Wechselwirkung mit dieser Art von Photon kann der Zerfall des Protons in Teilchen sein. Wir haben gezeigt, dass zwischen den beiden Situationen eine Verschränkung besteht. Wenn die Beobachtung des inneren Teils des Protons durch das Photon dazu führtsein Zerfall in eine Anzahl von Teilchen, sagen wir drei, dann wird die Anzahl der Teilchen, die aus dem unbeobachteten Teil des Protons stammen, durch die Zahl der Teilchen bestimmt, die im beobachteten Teil des Protons gesehen werden."
Das Forschungsverfahren umfasst noch viel mehr, aber die jüngste Tendenz unter Quantenphysikern, die Entropie mit dem inneren Zustand eines Protons zu verknüpfen – über ein bekanntes Konzept der klassischen Thermodynamik – hat es Wissenschaftlern ermöglicht, den Grad der Unordnung zu messenBewegung zwischen Teilchen in einem analysierten System. Dieser ungeordnete Zustand verleiht Systemen eine hohe Entropie, wobei die Ordnung einer niedrigen Entropie entspricht.
Wie oben, so unten - Und neuere Erkenntnisse zeigen, dass die Dinge im Inneren des Protons so sind, was bedeutet, dass Physiker die Verschränkungsentropie in diesem Zusammenhang beschreiben können. Aber es gibt immer noch viele Physiker, die fest davon überzeugt sind, dass die Protonen selbst ein reiner Quantenzustand sind, waswürde bedeuten, dass wir sie nicht mit Entropie beschreiben können. Und die neue Studie macht einen großen Schritt, um die Verschränkungsthese in den Vordergrund, für das Proton. Dies bezieht sich auf ein breites Spektrum von Konzepten – am bemerkenswertesten das Oberfläche eines Schwarzen Lochs. Und dies bedeutet den Beginn eines neuen und aufregenden Feldes, das dringend weiterer Untersuchungen bedarf.
Studienzusammenfassung
Wir untersuchen den Vorschlag von Kharzeev und Levin einer maximal verschränkten Protonenwellenfunktion in tiefinelastischer Streuung bei niedrigen x und die vorgeschlagene Beziehung zwischen Partonenzahl und Hadronenmultiplizität im Endzustand. Entgegen der ursprünglichen Formulierung bestimmen wir die partonische Entropie aus der Summe der Gluonen- und Quarkverteilungsfunktionen bei low x, die wir aus einer nichtintegrierten Gluonenverteilung erhalten, die der Evolution von Balitsky–Fadin–Kuraev–Lipatov in nächstführender Ordnung unterliegt. Wir finden für dieses Framework eine sehr gute Übereinstimmung mit H1-Daten. Wir bieten außerdem einen Vergleich basierend auf der NNPDF-Parton-Verteilungfunktioniert sowohl bei neben-nächst-führender Ordnung als auch bei neben-nächst-führender mit small x Zusammenfassung, wobei letztere eine akzeptable Beschreibung der Daten liefert.