Model pokazujący mikroskopijne pochodzenie entropii czarnej dziury

Czarne dziury to interesujące obiekty astronomiczne, które mają tak silną grawitację, że uniemożliwiają ucieczkę jakiegokolwiek obiektu, nawet światła. Chociaż czarne dziury były przedmiotem wielu badań astrofizycznych, ich pochodzenie i podstawowa fizyka pozostają w dużej mierze tajemnicą.

Naukowcy z Uniwersytetu Pensylwanii i Bariloche Atomic Center zaprezentowali niedawno nowy model mikrostanów czarnych dziur dotyczący pochodzenia entropii (tj. stopnia nieuporządkowania) w czarnych dziurach.

Model ten zaprezentowany w A papier Opublikowane w Listy z przeglądu fizycznegoOferuje alternatywne spojrzenie na czarne dziury, które może okazać się przydatne w przyszłych badaniach astrofizycznych.

„Wzór na entropię Bekensteina-Hawkinga, który opisuje termodynamikę czarnych dziur, odkryto w latach 70. XX wieku” – powiedział Phys.org Vijay Balasubramanian, współautor artykułu. „Wzór ten wskazuje, że czarne dziury mają entropię proporcjonalną do powierzchni ich horyzontów.

„Według fizyki statystycznej, opracowanej przez Boltzmanna i Gibbsa pod koniec XIX wieku, entropia układu jest powiązana z liczbą konfiguracji mikroskopowych, które mają ten sam opis makroskopowy.

„W świecie mechaniki kwantowej, takim jak nasz, entropia powstaje w wyniku kwantowej superpozycji „stanów mikroskopowych”, to znaczy mikroskopijnych składników, które wytwarzają te same obserwowalne cechy w dużych skalach”.

Fizycy od dziesięcioleci próbują zapewnić wiarygodne wyjaśnienie entropii czarnej dziury. W latach 90. Andrew Strominger i Cumron Vava wykorzystali hipotetyczną właściwość znaną jako „supersymetria”, aby opracować sposób obliczenia dokładnych stanów specjalnej klasy czarnych dziur, których masa jest równa ładunkowi elektromagnetycznemu, we wszechświatach pozawymiarowych i wiele typów czarnych dziur. Pola elektryczne i magnetyczne.

Aby wyjaśnić pochodzenie entropii czarnych dziur we wszechświatach takich jak nasz, Balasubramanian i jego współpracownicy musieli stworzyć nowe ramy teoretyczne.

„Pomimo wcześniejszych prób nadal nie ma wyjaśnienia, które można zastosować do typów czarnych dziur, które powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazd w naszym wszechświecie” – powiedział Balasubramanian. „Naszym celem było zapewnienie takiego konta.”

Głównym wkładem tej niedawnej pracy było wprowadzenie nowego modelu mikrostanów czarnej dziury, który można opisać w kategoriach zapadania się otoczek pyłowych wewnątrz czarnej dziury. Ponadto badacze opracowali technikę obliczania sposobów nakładania się tych precyzyjnych stanów mechaniki kwantowej.

„Główną ideą naszej pracy jest to, że bardzo różne geometrie czasoprzestrzenne odpowiadające pozornie odrębnym mikrostanom mogą się ze sobą mieszać dzięki subtelnym efektom kwantowo-mechanicznych «tuneli czasoprzestrzennych» łączących odległe obszary przestrzeni” – powiedział Balasubramanian.

„Po uwzględnieniu wpływu tych tuneli czasoprzestrzennych nasze wyniki pokazują, że dla każdego wszechświata zawierającego grawitację i materię entropia czarnej dziury jest wprost proporcjonalna do obszaru horyzontu zdarzeń, jak sugerowali Bekenstein i Hawking”.

Niedawna praca Balasubramaniana i współpracowników oferuje nowy sposób myślenia o małych stanach w czarnej dziurze. Ich model szczegółowo opisuje je jako kwantowe superpozycje prostych obiektów, które są dobrze opisane przez klasyczne fizyczne teorie materii i geometrię czasoprzestrzeni.

„To bardzo zaskakujące, ponieważ społeczność spodziewała się, że mikroskopowe wyjaśnienie entropii w czarnych dziurach będzie wymagało pełnego aparatu kwantowej teorii grawitacji, takiej jak teoria strun” – powiedział Balasubramanian.

„Pokazaliśmy również, że wszechświaty różniące się od siebie na poziomie makroskopowym, a nawet kosmicznym, można czasami rozumieć jako kwantową superpozycję innych wszechświatów, które różnią się na poziomie makroskopowym. Jest to przejaw mechaniki kwantowej w skali całego wszechświata, co jest zaskakujące, biorąc pod uwagę, że zwykle „mechanika kwantowa kojarzy nam się ze zjawiskami na małą skalę”.

Nowo zaprezentowane ramy teoretyczne mogą utorować drogę innym pracom teoretycznym mającym na celu wyjaśnienie termodynamiki czarnych dziur. Jednocześnie badacze planują poszerzyć i wzbogacić swój opis małych stanów w czarnej dziurze.

„Obecnie badamy, w jakim stopniu i w jakich warunkach obserwator poza horyzontem zdarzeń może określić dokładny stan, w jakim istnieje czarna dziura” – dodał Balasubramanian.