کرم‌چاله‌های مکانیکی کوانتومی شکاف‌های آنتروپی سیاه‌چاله را پر می‌کنند - دنیای فیزیک

کرم‌چاله‌های مکانیکی کوانتومی شکاف‌های آنتروپی سیاه‌چاله را پر می‌کنند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 25 آوریل 2024 ساعت 4:30 صبح


تصویری هنرمند از یک سیاهچاله که توسط مارپیچی از ماده درخشان احاطه شده است
پشت پرده: افق رویداد سیاهچاله شامل بی نهایت ریز حالت است، اما بیان این ریز حالت ها بر حسب مجموعه محدودی از برهم نهی های کوانتومی نماینده، امکان کمی سازی آنتروپی درون آن را فراهم می کند. (با احترام: Shutterstock/oorka)

یک مدل نظری جدید می تواند یک معمای 50 ساله در مورد آنتروپی سیاهچاله ها را حل کند. این مدل که توسط فیزیکدانان ایالات متحده، بلژیک و آرژانتین ساخته شده است، از مفهوم کرمچاله های مکانیکی کوانتومی برای شمارش تعداد ریز حالت های کوانتومی در یک سیاهچاله استفاده می کند. شمارش های به دست آمده با پیش بینی های به اصطلاح فرمول آنتروپی بکنشتاین-هاوکینگ مطابقت دارد و ممکن است به درک عمیق تری از این اجرام اخترفیزیکی شدید منجر شود.

ترمودینامیک سیاهچاله

سیاهچاله ها نام خود را به این دلیل گرفته اند که گرانش شدید آنها فضا-زمان را به قدری منحرف می کند که حتی نور پس از ورود به آنها نمی تواند از آن فرار کند. این امر باعث می شود که مشاهده مستقیم آنچه در درون آنها می گذرد غیرممکن باشد. با این حال، به لطف کارهای نظری انجام شده توسط جیکوب بکنشتاین و استیون هاوکینگ در دهه 1970، می دانیم که سیاهچاله ها دارای آنتروپی هستند و مقدار آنتروپی با فرمولی که نام آنها را نشان می دهد، به دست می آید.

در ترمودینامیک کلاسیک، آنتروپی از هرج و مرج و بی نظمی میکروسکوپی ناشی می شود، و مقدار آنتروپی در یک سیستم به تعداد ریزحالت های مطابق با توصیف ماکروسکوپی آن سیستم مربوط می شود. برای اجسام کوانتومی، برهم نهی کوانتومی ریز حالت ها نیز به عنوان یک ریز حالت به حساب می آید، و آنتروپی به تعداد روش هایی مربوط می شود که در آن همه ریز حالت های کوانتومی می توانند از چنین برهم نهی هایی ساخته شوند.

علل آنتروپی سیاهچاله یک سوال باز است و توصیف مکانیک کوانتومی محض تاکنون دانشمندان را دور زده است. در اواسط دهه 1990، نظریه پردازان ریسمان روشی را برای شمارش ریز حالت های کوانتومی سیاهچاله به دست آوردند که با فرمول بکنشتاین-هاوکینگ برای برخی از سیاهچاله ها موافق است. با این حال، روش‌های آن‌ها فقط برای کلاس خاصی از سیاه‌چاله‌های فوق متقارن با بارها و جرم‌های دقیق تنظیم شده اعمال می‌شود. بیشتر سیاه‌چاله‌ها، از جمله سیاه‌چاله‌هایی که هنگام فروپاشی ستاره‌ها ایجاد می‌شوند، پوشیده نیستند.

ماوراء افق

در کار جدید، محققان دانشگاه پنسیلوانیا، دانشگاه براندیس و موسسه سانتافه، همگی در ایالات متحده، به همراه همکارانش در دانشگاه Vrije بلژیک بروکسل و موسسه آرژانتینی بالسیرو، رویکردی را توسعه دادند که به ما اجازه می‌دهد به درون سیاهچاله نگاه کنیم. داخلی. نوشتن در Physical Review Letters به, آنها خاطرنشان می کنند که تعداد بی نهایت ریز حالت ممکن در پشت افق رویداد سیاهچاله وجود دارد - سطح مرزی که هیچ نوری نمی تواند از آن فرار کند. به دلیل اثرات کوانتومی، این ریز حالت‌ها می‌توانند از طریق تونل‌هایی در فضا-زمان به نام کرم‌چاله‌ها کمی همپوشانی داشته باشند. این همپوشانی‌ها توصیف ریزحالت‌های نامتناهی را بر حسب مجموعه‌ای محدود از برهم‌نهی‌های کوانتومی نشان می‌دهند. این برهم نهی های کوانتومی نماینده به نوبه خود می توانند شمارش شوند و با آنتروپی بکنشتاین-هاوکینگ مرتبط شوند.

مطابق با ویجی بالاسوبرامانیانفیزیکدانی از دانشگاه پنسیلوانیا که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، رویکرد این تیم برای سیاهچاله‌ها با هر جرم، بار الکتریکی و سرعت چرخشی اعمال می‌شود. بنابراین می تواند توضیح کاملی از منشا میکروسکوپی ترمودینامیک سیاهچاله ارائه دهد. به نظر او، ریزحالت‌های سیاه‌چاله «نمونه‌های نمونه‌ای از حالت‌های کوانتومی پیچیده با دینامیک آشفته» هستند و نتایج این تیم حتی ممکن است درس‌هایی برای نحوه تفکر ما در مورد چنین سیستم‌هایی به طور کلی داشته باشد. یکی از توسعه‌های ممکن، جستجوی راهی برای استفاده از اثرات کوانتومی ظریف برای تشخیص ریزحالت‌های سیاه‌چاله از خارج از افق است.

خوان مالداسینایک نظریه پرداز در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، ایالات متحده که در این مطالعه شرکت نداشت، این تحقیق را دیدگاه جالبی در مورد ریز حالت های سیاهچاله می خواند. او خاطرنشان می کند که بر اساس محاسبات خصوصیات آماری همپوشانی حالت های خالص سیاهچاله است که از طریق فرآیندهای مختلف تهیه می شود. در حالی که نمی توان محصول درونی بین این حالت های مختلف را محاسبه کرد، نظریه گرانش، از طریق مشارکت کرم چاله ها، محاسبه ویژگی های آماری همپوشانی آنها را ممکن می سازد. او می‌گوید پاسخ ماهیت آماری دارد و به همان روحیه محاسباتی دیگر از آنتروپی سیاه‌چاله که توسط هاوکینگ و گری گیبون در سال 1977 انجام شد، اما تصویر واضح‌تری از ریزحالت‌های احتمالی ارائه می‌دهد.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک