Модель, описывающая микроскопическое происхождение энтропии черной дыры.

Черные дыры — это интригующие астрономические объекты, гравитационное притяжение которых настолько сильное, что оно препятствует выходу любого объекта и даже света. Хотя черные дыры были темой многочисленных астрофизических исследований, их происхождение и лежащая в их основе 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.

Эта модель, представленная в статье, опубликованной в Письма о физических отзывахпредлагает альтернативный взгляд на черные дыры, который может послужить основой для будущих астрофизических исследований.

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

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

«В квантово-механическом мире, подобном нашему, энтропия возникает из квантовых суперпозиций «микросостояний», то есть микроскопических составляющих, которые дают одни и те же наблюдаемые характеристики в больших масштабах».

Физики десятилетиями пытались дать достоверное объяснение энтропии черной дыры. В 1990-х годах Эндрю Стромингер и Камран Вафа использовали гипотетическое свойство, известное как «суперсимметрия», чтобы разработать метод подсчета микросостояний особого класса черных дыр, масса которых равна электромагнитному заряду, во вселенных с дополнительными измерениями и множеством видов 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 не было никаких объяснений, применимых к тем типам черных дыр, которые образуются в результате коллапса звезд в нашем мире», — сказал Баласубраманян. «Наша цель состояла в том, чтобы предоставить такой аккаунт».

Основным вкладом этой недавней работы было представление новой модели микросостояний черной дыры, которую можно описать с помощью коллапса пылевых оболочек внутри черной дыры. Кроме того, исследователи разработали метод квантовомеханического подсчета способов суперпозиции этих микросостояний.

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

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

Недавняя работа Баласубраманяна и его коллег предлагает новый взгляд на микросостояния черных дыр. Их модель конкретно описывает их как квантовые суперпозиции простых объектов, которые хорошо описываются классическими физическими теориями материи и геометрии пространства-времени.

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

«Мы также показываем, что вселенные, которые отличаются друг от друга в макроскопических, даже космических масштабах, иногда можно понимать как квантовые суперпозиции других, макроскопически различных вселенных. Это проявление квантовой механики в масштабах всей Вселенной, что удивительно. учитывая, что мы обычно связываем квантовую механику с явлениями мелкого масштаба».

Недавно представленная теоретическая основа может проложить путь для других теоретических работ, направленных на объяснение термодинамики черных дыр. Тем временем исследователи планируют расширить и обогатить свое описание микросостояний черной дыры.

«Сейчас мы изучаем, в какой степени и при каких обстоятельствах наблюдатель за горизонтом событий может определить, в каком микросостоянии находится черная дыра», — добавил Баласубраманян.

© 2024 Сеть Science X