Model ukazující mikroskopický původ entropie černých děr

Černé díry jsou zajímavé astronomické objekty, které mají tak silnou gravitaci, že brání jakémukoli objektu, dokonce i světlu, v úniku. Zatímco černé díry byly předmětem mnoha astrofyzikálních studií, jejich původ a základní fyzika zůstávají do značné míry záhadou.

Výzkumníci z University of Pennsylvania a Bariloche Atomic Center nedávno představili nový model pro mikrostavy černých děr ohledně původu entropie (tj. stupně neuspořádanosti) v černých dírách.

Tento model prezentovaný v A papír Publikoval v Fyzické kontrolní dopisyNabízí alternativní pohled na černé díry, který by mohl být přínosem pro budoucí astrofyzikální výzkum.

„Bekenstein-Hawkingův vzorec entropie, který popisuje termodynamiku černých děr, byl objeven v 70. letech,“ řekl pro Phys.org Vijay Balasubramanian, spoluautor článku. „Tento vzorec ukazuje, že černé díry mají entropii úměrnou ploše jejich horizontů.

„Podle statistické fyziky, jak ji vyvinuli Boltzmann a Gibbs na konci devatenáctého století, entropie systému souvisí s počtem mikroskopických konfigurací, které mají stejný makroskopický popis.

„V kvantově mechanickém světě, jako je ten náš, vzniká entropie z kvantových superpozic ‚mikroskopických stavů‘, tedy mikroskopických složek, které produkují stejné pozorovatelné rysy ve velkých měřítcích.

Fyzici se po desetiletí snaží poskytnout spolehlivé vysvětlení entropie černých děr. V devadesátých letech využili Andrew Strominger a Cumron Vava hypotetickou vlastnost známou jako „supersymetrie“, aby vymysleli způsob, jak vypočítat přesné stavy speciální třídy černých děr, jejichž hmotnost se rovná elektromagnetickému náboji, v extradimenzionálních vesmírech. a několik typů černých děr. Elektrické a magnetické pole.

K vysvětlení původu entropie černých děr ve vesmírech, jako je ten náš, museli Balasubramanian a jeho kolegové vytvořit nový teoretický rámec.

„Navzdory předchozím pokusům stále neexistuje žádné vysvětlení, které by se vztahovalo na typy černých děr, které se tvoří v důsledku hvězdného kolapsu v našem vesmíru,“ řekl Balasubramanian. „Naším cílem bylo poskytnout takový účet.“

Primárním přínosem této nedávné práce bylo představení nového modelu mikrostavů černých děr, které lze popsat jako kolaps prachových obálek uvnitř černé díry. Kromě toho vědci vymysleli techniku ​​pro výpočet způsobů, jakými jsou tyto kvantově-mechanicky přesné stavy superponovány.

„Hlavní myšlenkou naší práce je, že velmi odlišné geometrie časoprostoru odpovídající zjevně odlišným mikrostavům se mohou vzájemně prolínat díky jemným efektům kvantově mechanických ‚červích děr‘ spojujících vzdálené oblasti vesmíru,“ řekl Balasubramanian.

„Po zohlednění účinků těchto červích děr naše výsledky ukazují, že pro jakýkoli vesmír obsahující gravitaci a hmotu je entropie černé díry přímo úměrná oblasti horizontu událostí, jak navrhli Bekenstein a Hawking.“

Nedávná práce Balasubramaniana a kolegů nabízí nový způsob uvažování o malých státech v černé díře. Jejich model je konkrétně popisuje jako kvantové superpozice jednoduchých objektů, které jsou dobře popsány klasickými fyzikálními teoriemi hmoty a geometrií časoprostoru.

„To je velmi překvapivé, protože komunita očekávala, že mikroskopické vysvětlení entropie v černých dírách bude vyžadovat úplný aparát kvantové teorie gravitace, jako je teorie strun,“ řekl Balasubramanian.

„Ukázali jsme také, že vesmíry, které se od sebe liší na makroskopické, dokonce i kosmické úrovni, mohou být někdy chápány jako kvantová superpozice jiných vesmírů, které se liší na makroskopické úrovni celý vesmír, což je překvapivé, protože obvykle „s čím spojujeme kvantovou mechaniku, jsou jevy malého rozsahu“.

Nově prezentovaný teoretický rámec by mohl otevřít cestu dalším teoretickým pracím zaměřeným na vysvětlení termodynamiky černých děr. Vědci zároveň plánují rozšířit a obohatit svůj popis malých států v černé díře.

„Nyní studujeme, do jaké míry a za jakých podmínek může pozorovatel mimo horizont událostí určit přesný stav, ve kterém černá díra existuje,“ dodal Balasubramanian.