Model care arată originea microscopică a entropiei într-o gaură neagră

Găurile negre sunt obiecte astronomice interesante care au o gravitație atât de puternică încât împiedică orice obiect, chiar și lumina, să scape. În timp ce găurile negre au făcut obiectul multor studii astrofizice, originile și fizica lor fundamentală rămân în mare parte un mister.

Cercetătorii de la Universitatea din Pennsylvania și Centrul Atomic Bariloche au prezentat recent un nou model pentru microstările găurii negre cu privire la originea entropiei (adică, gradul de dezordine) în găurile negre.

Acest model prezentat în A hârtie Publicat în Scrisori de revizuire fizicăOferă o viziune alternativă asupra găurilor negre de care ar putea beneficia viitoarele cercetări astrofizice.

„Formula entropiei Bekenstein-Hawking, care descrie termodinamica găurilor negre, a fost descoperită în anii 1970”, a declarat Vijay Balasubramanian, coautor al lucrării, pentru Phys.org. „Această formulă indică faptul că găurile negre au o entropie proporțională cu aria orizontului lor.

„Conform fizicii statistice, așa cum a fost dezvoltată de Boltzmann și Gibbs la sfârșitul secolului al XIX-lea, entropia unui sistem este legată de numărul de configurații microscopice care au aceeași descriere macroscopică.

„Într-o lume mecanică cuantică ca a noastră, entropia apare din suprapuneri cuantice de „stări microscopice”, adică componente microscopice care produc aceleași caracteristici observabile la scară mare.”

Fizicienii au încercat să ofere o explicație de încredere pentru entropia găurii negre de zeci de ani. În anii 1990, Andrew Strominger și Cumron Vava au profitat de o proprietate ipotetică cunoscută sub numele de „supersimetrie” pentru a concepe o modalitate de a calcula stările exacte ale unei clase speciale de găuri negre a căror masă este egală cu sarcina electromagnetică, în universuri extradimensionale. și mai multe tipuri de găuri negre. Câmpuri electrice și magnetice.

Pentru a explica originea entropiei găurilor negre în universuri precum al nostru, Balasubramanian și colegii săi au trebuit să creeze un nou cadru teoretic.

„În ciuda încercărilor anterioare, încă nu există o explicație care să se aplice tipurilor de găuri negre care se formează ca urmare a colapsului stelar în universul nostru”, a spus Balasubramanian. „Scopul nostru a fost să oferim un astfel de cont.”

Contribuția principală a acestei lucrări recente a fost introducerea noului model de microstări ale găurii negre, care poate fi descris în termeni de prăbușire a plicurilor de praf în interiorul unei găuri negre. În plus, cercetătorii au conceput o tehnică pentru a calcula modalitățile în care aceste stări precise din punct de vedere cuantic sunt suprapuse.

„Ideea cheie a muncii noastre este că geometrii spațiu-timp foarte diferite care corespund unor microstări aparent distincte se pot amesteca unele cu altele datorită efectelor subtile ale „găurilor de vierme” mecanice cuantice care conectează regiuni îndepărtate ale spațiului”, a spus Balasubramanian.

„După luarea în considerare a efectelor acestor găuri de vierme, rezultatele noastre arată că pentru orice univers care conține gravitație și materie, entropia unei găuri negre este direct proporțională cu aria orizontului evenimentelor, așa cum au sugerat Bekenstein și Hawking.”

Lucrările recente ale lui Balasubramanian și ale colegilor oferă un nou mod de a gândi despre statele mici într-o gaură neagră. Modelul lor le descrie în mod specific ca suprapuneri cuantice de obiecte simple care sunt bine descrise de teoriile fizice clasice ale materiei și geometria spațiului-timp.

„Acest lucru este foarte surprinzător, deoarece comunitatea se aștepta ca o explicație microscopică a entropiei în găurile negre să necesite întregul aparat al unei teorii cuantice a gravitației, cum ar fi teoria corzilor”, a spus Balasubramanian.

„Am arătat, de asemenea, că universurile care diferă unele de altele la nivel macroscopic, chiar cosmic, pot fi uneori înțelese ca o suprapunere cuantică a altor universuri care sunt diferite la nivel macroscopic. Aceasta este o manifestare a mecanicii cuantice la scară întregul univers, ceea ce este surprinzător, având în vedere că de obicei „ceea ce asociem mecanica cuantică sunt fenomene la scară mică”.

Cadrul teoretic recent prezentat ar putea deschide calea pentru alte lucrări teoretice menite să explice termodinamica găurilor negre. În același timp, cercetătorii plănuiesc să extindă și să-și îmbogățească descrierea stărilor mici din gaura neagră.

„Acum studiem în ce măsură și în ce condiții un observator din afara orizontului de evenimente poate determina starea exactă în care există gaura neagră”, a adăugat Balasubramanian.