Een model dat de microscopische oorsprong van de entropie van zwarte gaten laat zien

Zwarte gaten zijn interessante astronomische objecten die zo’n sterke zwaartekracht hebben dat ze voorkomen dat elk object, zelfs licht, kan ontsnappen. Hoewel zwarte gaten het onderwerp zijn geweest van veel astrofysische studies, blijven hun oorsprong en fundamentele fysica grotendeels een mysterie.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en het Bariloche Atomic Center presenteerden onlangs een nieuw model voor microstaten van zwarte gaten met betrekking tot de oorsprong van entropie (dat wil zeggen de mate van wanorde) in zwarte gaten.

Dit model gepresenteerd in A papier Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenHet biedt een alternatieve kijk op zwarte gaten die toekomstig astrofysisch onderzoek ten goede zou kunnen komen.

“De Bekenstein-Hawking-entropieformule, die de thermodynamica van zwarte gaten beschrijft, werd ontdekt in de jaren zeventig”, vertelde Vijay Balasubramanian, een co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “Deze formule geeft aan dat zwarte gaten een entropie hebben die evenredig is met het gebied van hun horizon.

“Volgens de statistische natuurkunde, zoals ontwikkeld door Boltzmann en Gibbs aan het einde van de negentiende eeuw, is de entropie van een systeem gerelateerd aan het aantal microscopische configuraties die dezelfde macroscopische beschrijving hebben.

“In een kwantummechanische wereld als de onze komt entropie voort uit kwantumsuperposities van ‘microscopische toestanden’, dat wil zeggen microscopische componenten die op grote schaal dezelfde waarneembare kenmerken produceren.”

Natuurkundigen proberen al tientallen jaren een betrouwbare verklaring te geven voor de entropie van zwarte gaten. In de jaren negentig maakten Andrew Strominger en Cumron Vava gebruik van een hypothetische eigenschap die bekend staat als ‘supersymmetrie’ om een ​​manier te bedenken om de exacte toestanden te berekenen van een speciale klasse zwarte gaten waarvan de massa gelijk is aan de elektromagnetische lading, in extra-dimensionale universums. en meerdere soorten zwarte gaten. Elektrische en magnetische velden.

Om de oorsprong van de entropie van zwarte gaten in universums als het onze te verklaren, moesten Balasubramanian en zijn collega’s een nieuw theoretisch raamwerk creëren.

“Ondanks eerdere pogingen is er nog steeds geen verklaring die van toepassing is op de soorten zwarte gaten die ontstaan ​​als gevolg van de ineenstorting van sterren in ons universum”, aldus Balasubramanian. “Ons doel was om zo’n account aan te bieden.”

De belangrijkste bijdrage van dit recente werk was de introductie van het nieuwe model van microstaten met zwarte gaten, dat kan worden beschreven in termen van het instorten van stofomhulsels in een zwart gat. Bovendien hebben de onderzoekers een techniek bedacht om de manieren te berekenen waarop deze kwantummechanisch nauwkeurige toestanden over elkaar heen worden geplaatst.

“Het belangrijkste idee van ons werk is dat zeer verschillende ruimte-tijdgeometrieën die overeenkomen met ogenschijnlijk verschillende microstaten in elkaar kunnen overvloeien als gevolg van subtiele effecten van kwantummechanische ‘wormgaten’ die verre gebieden van de ruimte met elkaar verbinden,” zei Balasubramanian.

“Nadat we rekening hebben gehouden met de effecten van deze wormgaten, laten onze resultaten zien dat voor elk universum dat zwaartekracht en materie bevat, de entropie van een zwart gat recht evenredig is met het gebied van de waarnemingshorizon, zoals Bekenstein en Hawking suggereerden.”

Recent werk van Balasubramanian en collega’s biedt een nieuwe manier van denken over kleine staten in een zwart gat. Hun model beschrijft ze specifiek als kwantumsuperposities van eenvoudige objecten die goed worden beschreven door klassieke fysische theorieën over materie en de geometrie van ruimte-tijd.

“Dit is zeer verrassend, omdat de gemeenschap had verwacht dat voor een microscopische verklaring van entropie in zwarte gaten het volledige apparaat van een kwantumtheorie van de zwaartekracht nodig zou zijn, zoals de snaartheorie,” zei Balasubramanian.

“We hebben ook aangetoond dat universums die op macroscopisch, zelfs kosmisch niveau van elkaar verschillen, soms kunnen worden begrepen als een kwantumsuperpositie van andere universums die op macroscopisch niveau verschillend zijn. Dit is een manifestatie van kwantummechanica op de schaal van het hele universum, wat verrassend is gezien het feit dat we gewoonlijk “waar we de kwantummechanica mee associëren kleinschalige verschijnselen zijn.”

Het nieuw gepresenteerde theoretische raamwerk zou de weg kunnen vrijmaken voor andere theoretische werken gericht op het verklaren van de thermodynamica van zwarte gaten. Tegelijkertijd zijn de onderzoekers van plan hun beschrijving van kleine toestanden in het zwarte gat uit te breiden en te verrijken.

“We bestuderen nu in welke mate en onder welke omstandigheden een waarnemer buiten de waarnemingshorizon de exacte staat kan bepalen waarin het zwarte gat zich bevindt,” voegde Balasubramanian eraan toe.