Модель, показывающая микроскопическое происхождение энтропии в черной дыре

Черные дыры — интересные астрономические объекты, обладающие настолько сильной гравитацией, что не позволяют любому объекту, даже свету, ускользнуть. Хотя черные дыры были предметом многих астрофизических исследований, их происхождение и фундаментальная физика остаются во многом загадкой.

Исследователи из Пенсильванского университета и Атомного центра Барилоче недавно представили новую модель микросостояний черной дыры, касающуюся происхождения энтропии (т.е. степени беспорядка) в черных дырах.

Данная модель представлена ​​в разделе А бумага Опубликовано в Письма о физическом осмотреОн предлагает альтернативный взгляд на черные дыры, который может принести пользу будущим астрофизическим исследованиям.

«Формула энтропии Бекенштейна-Хокинга, описывающая термодинамику черных дыр, была открыта в 1970-х годах», — рассказал Phys.org Виджей Баласубраманян, соавтор статьи. «Эта формула указывает на то, что черные дыры имеют энтропию, пропорциональную площади их горизонтов.

«Согласно статистической физике, разработанной Больцманом и Гиббсом в конце девятнадцатого века, энтропия системы связана с количеством микроскопических конфигураций, имеющих одинаковое макроскопическое описание.

«В квантово-механическом мире, подобном нашему, энтропия возникает из квантовых суперпозиций «микроскопических состояний», то есть микроскопических компонентов, которые производят одни и те же наблюдаемые особенности в больших масштабах».

Физики десятилетиями пытались дать надежное объяснение энтропии черной дыры. В 1990-х годах Эндрю Строминджер и Камрон Вава воспользовались гипотетическим свойством, известным как «суперсимметрия», чтобы разработать способ расчета точных состояний особого класса черных дыр, масса которых равна электромагнитному заряду, в межмерных вселенных. и несколько типов черных дыр. Электрические и магнитные поля.

Чтобы объяснить происхождение энтропии черных дыр во вселенных, подобных нашей, Баласубраманиану и его коллегам пришлось создать новую теоретическую основу.

«Несмотря на предыдущие попытки, до сих пор нет объяснения, применимого к типам черных дыр, которые образуются в результате коллапса звезд в нашей Вселенной», — сказал Баласубраманян. «Нашей целью было предоставить такой аккаунт».

Основным вкладом этой недавней работы стало введение новой модели микросостояний черной дыры, которую можно описать в терминах коллапса пылевых оболочек внутри черной дыры. Кроме того, исследователи разработали метод расчета способов наложения этих квантово-механически точных состояний.

«Ключевая идея нашей работы заключается в том, что очень разные геометрии пространства-времени, соответствующие явно различным микросостояниям, могут сливаться друг с другом из-за тонких эффектов квантово-механических «червоточин», соединяющих отдаленные области пространства», — сказал Баласубраманян.

«После учёта эффектов этих червоточин наши результаты показывают, что для любой вселенной, содержащей гравитацию и материю, энтропия чёрной дыры прямо пропорциональна площади горизонта событий, как предположили Бекенштейн и Хокинг».

Недавняя работа Баласубраманяна и его коллег предлагает новый взгляд на малые государства в черной дыре. Их модель конкретно описывает их как квантовые суперпозиции простых объектов, которые хорошо описываются классическими физическими теориями материи и геометрией пространства-времени.

«Это очень удивительно, потому что сообщество ожидало, что микроскопическое объяснение энтропии в черных дырах потребует полного аппарата квантовой теории гравитации, такой как теория струн», — сказал Баласубраманян.

«Мы также показали, что вселенные, отличающиеся друг от друга на макроскопическом, даже космическом уровне, иногда можно понимать как квантовую суперпозицию других вселенных, отличающихся на макроскопическом уровне. Это проявление квантовой механики в масштабе. всю вселенную, что удивительно, учитывая, что мы обычно «то, с чем мы ассоциируем квантовую механику, — это мелкомасштабные явления».

Недавно представленная теоретическая основа может проложить путь для других теоретических работ, направленных на объяснение термодинамики черных дыр. В то же время исследователи планируют расширить и обогатить свое описание малых состояний черной дыры.

«Сейчас мы изучаем, в какой степени и при каких условиях наблюдатель за пределами горизонта событий может определить точное состояние, в котором существует черная дыра», — добавил Баласубраманян.