En model, der skitserer den mikroskopiske oprindelse af sort hul-entropi

Sorte huller er spændende astronomiske objekter, der har en tyngdekraft så stærk, at den forhindrer enhver genstand og endda lys i at undslippe. Mens sorte huller har været emnet for adskillige astrofysiske undersøgelser, forbliver deres oprindelse og underliggende fysik stort set et mysterium.

Forskere ved University of Pennsylvania og Centro Atómico Bariloche introducerede for nylig en ny model af sorte huls mikrostater vedrørende oprindelsen af ​​entropi (dvs. graden af ​​lidelse) i sorte huller.

Denne model, præsenteret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , giver et alternativt perspektiv på sorte huller, der kunne informere fremtidig astrofysisk forskning.

"Bekenstein-Hawking entropiformlen, som beskriver termodynamikken i sorte huller, blev opdaget i 1970'erne," fortalte Vijay Balasubramanian, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Denne formel antyder, at sorte huller har en entropi, der er proportional med arealet af deres horisont.

"Ifølge statistisk fysik, som udviklet af Boltzmann og Gibbs i slutningen af ​​det 19. århundrede, er entropien af ​​et system relateret til antallet af mikroskopiske konfigurationer, der har den samme makroskopiske beskrivelse.

"I en kvantemekanisk verden som vores opstår entropi fra kvantesuperpositioner af 'mikrostater', det vil sige mikroskopiske bestanddele, der giver de samme observerbare træk i stor skala."

Fysikere har forsøgt at give en troværdig beretning om sorte huls entropi i årtier. I 1990'erne udnyttede Andrew Strominger og Cumrun Vafa en hypotetisk egenskab kendt som "supersymmetri" til at udtænke en metode til at tælle mikrotilstandene i en speciel klasse af sorte huller, for hvilke masse er lig med den elektromagnetiske ladning, i universer med ekstra dimensioner og flere slags elektriske og magnetiske felter.

For at forklare oprindelsen af ​​entropi af sorte huller i universer som vores, var Balasubramanian og hans kolleger nødt til at skabe en ny teoretisk ramme.

"På trods af tidligere forsøg har der hidtil ikke været nogen beretning, der gælder for den slags sorte huller, der dannes fra stjernernes kollaps i vores verden," sagde Balasubramanian. "Vores mål var at levere sådan en konto."

Det primære bidrag fra dette nylige arbejde var at introducere den nye model af sorte huls mikrotilstande, som kan beskrives i form af kollapsende støvskaller inde i det sorte hul. Derudover udtænkte forskerne en teknik til at tælle måderne til at overlejre disse mikrotilstande kvantemekanisk.

"Nøgleindsigten i vores arbejde er, at meget forskellige rumtidsgeometrier svarende til tilsyneladende forskellige mikrostater kan blandes med hinanden på grund af de subtile virkninger af kvantemekaniske 'ormehuller', der forbinder fjerne områder af rummet," sagde Balasubramanian.

"Efter at have redegjort for virkningerne af disse ormehuller, viste vores resultater, at for ethvert univers, der indeholder tyngdekraft og stof, er et sort huls entropi direkte proportional med arealet af dets begivenhedshorisont, som Bekenstein og Hawking foreslog."

Det nylige arbejde af Balasubramanian og hans kolleger introducerer en ny måde at tænke på sorte huls mikrostater. Deres model beskriver dem specifikt som kvanteoverlejringer af simple objekter, der er velbeskrevet af klassiske fysiske teorier om stof og rumtidsgeometri.

"Dette er meget overraskende, fordi samfundet havde forventet, at en mikroskopisk forklaring af sorte hullers entropi ville kræve det fulde apparat af en kvanteteori om tyngdekraft, såsom strengteori," sagde Balasubramanian.

"Vi viser også, at universer, der adskiller sig fra hinanden på makroskopiske, ja kosmiske, skalaer nogle gange kan forstås som kvantesuperpositioner af andre, makroskopisk forskellige universer. Dette er en manifestation af kvantemekanik på skalaen af ​​hele universet, hvilket er overraskende givet, at vi typisk forbinder kvantemekanik med fænomener i lille skala."

Den nyligt indførte teoretiske ramme kunne bane vejen for andet teoretisk arbejde, der sigter mod at forklare sorte hullers termodynamik. I mellemtiden planlægger forskerne at udvide og berige deres beskrivelse af sorte huls mikrostater.

"Vi studerer nu, i hvilket omfang og under hvilke omstændigheder en observatør uden for begivenhedshorisonten kan bestemme, hvilken mikrotilstand et sort hul er i," tilføjede Balasubramanian.