Nowy model teoretyczny może rozwiązać 50-letnią zagadkę dotyczącą entropii czarnych dziur. Model opracowany przez fizyków z USA, Belgii i Argentyny wykorzystuje koncepcję tuneli czasoprzestrzenno-mechanicznych do obliczenia liczby mikrostanów kwantowych w czarnej dziurze. Uzyskane zliczenia zgadzają się z przewidywaniami dokonanymi na podstawie tzw. wzoru na entropię Bekensteina-Hawkinga i mogą prowadzić do głębszego zrozumienia tych ekstremalnych obiektów astrofizycznych.

Termodynamika czarnej dziury

Czarne dziury mają swoją nazwę, ponieważ ich intensywna grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń tak bardzo, że nawet światło nie może uciec po wejściu do nich. Uniemożliwia to bezpośrednią obserwację tego, co dzieje się w ich wnętrzu. Jednak dzięki pracom teoretycznym wykonanym przez Jacoba Bekensteina i Stephena Hawkinga w latach 1970. XX wieku wiemy, że czarne dziury mają entropię, a wielkość entropii jest określona wzorem noszącym ich nazwy.

W termodynamice klasycznej entropia powstaje w wyniku mikroskopijnego chaosu i nieporządku, a wielkość entropii w układzie jest powiązana z liczbą mikrostanów zgodnych z makroskopowym opisem tego układu. W przypadku obiektów kwantowych kwantowa superpozycja mikrostanów również liczy się jako mikrostan, a entropia jest powiązana z liczbą sposobów, na jakie wszystkie mikrostany kwantowe mogą zostać zbudowane z takich superpozycji.

Przyczyny entropii czarnej dziury pozostają kwestią otwartą, a opis czysto kwantowo-mechaniczny jak dotąd umykał naukowcom. W połowie lat 1990. teoretycy strun opracowali sposób liczenia mikrostanów kwantowych czarnej dziury, który jest zgodny ze wzorem Bekensteina-Hawkinga dla niektórych czarnych dziur. Jednak ich metody mają zastosowanie tylko do specjalnej klasy supersymetrycznych czarnych dziur o precyzyjnie dostrojonych ładunkach i masach. Większość czarnych dziur, w tym te powstające podczas zapadania się gwiazd, nie jest objęta osłoną.

Poza horyzont

W ramach nowych prac naukowcy z Uniwersytetu Pensylwanii, Uniwersytetu Brandeis i Instytutu Santa Fe ze Stanów Zjednoczonych wraz z kolegami z belgijskiego Vrije Universiteit Brussel i argentyńskiego Instituto Balseiro opracowali podejście, które pozwala nam zajrzeć do wnętrza czarnej dziury wnętrze. Wpisywanie się Physical Review Letters, zauważają, że za horyzontem zdarzeń czarnej dziury – powierzchnią graniczną, z której żadne światło nie może uciec, istnieje nieskończona liczba możliwych mikrostanów. Ze względu na efekty kwantowe te mikrostany mogą w niewielkim stopniu nakładać się na siebie poprzez tunele w czasoprzestrzeni zwane tunelami czasoprzestrzennymi. Te nałożenia umożliwiają opisanie nieskończonych mikrostanów w kategoriach skończonego zestawu reprezentatywnych superpozycji kwantowych. Te reprezentatywne superpozycje kwantowe można z kolei policzyć i powiązać z entropią Bekensteina-Hawkinga.

Zgodnie z Vijay Balasubramanian, fizyka z Uniwersytetu Pensylwanii, który kierował badaniami, podejście zespołu można zastosować do czarnych dziur o dowolnej masie, ładunku elektrycznym i prędkości obrotowej. Może zatem zaoferować pełne wyjaśnienie mikroskopowego pochodzenia termodynamiki czarnych dziur. Jego zdaniem mikrostany czarnych dziur są „paradygmatycznymi przykładami złożonych stanów kwantowych o chaotycznej dynamice”, a wyniki zespołu mogą nawet dostarczyć lekcji na temat naszego ogólnego myślenia o takich układach. Jednym z możliwych rozszerzeń byłoby poszukiwanie sposobu wykorzystania subtelnych efektów kwantowych do wykrywania mikrostanów czarnej dziury spoza horyzontu.

Juana Maldaceny, teoretyk z Institute for Advanced Study w Princeton w USA, który nie był zaangażowany w te badania, nazywa te badania interesującym spojrzeniem na mikrostany czarnych dziur. Zauważa, że ​​opiera się to na obliczeniu właściwości statystycznych nakładania się czystych stanów czarnej dziury, które są przygotowywane w różnych procesach; chociaż nie można obliczyć iloczynu wewnętrznego między tymi różnymi stanami, teoria grawitacji, poprzez wkład tuneli czasoprzestrzennych, umożliwia obliczenie właściwości statystycznych ich nakładania się. Odpowiedź, mówi, ma charakter statystyczny i przebiega w tym samym duchu, co inne obliczenia entropii czarnej dziury przeprowadzone przez Hawkinga i Gary'ego Gibbonsa w 1977 r., ale zapewnia bardziej żywy obraz możliwych mikrostanów.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/