Kvantemekaniske ormehull fyller hull i svart hulls entropi – Physics World

Kvantemekaniske ormehull fyller hull i svart hulls entropi – Physics World

Tidsstempel: 25. april 2024 4:30


Kunstnerens skildring av et svart hull omgitt av en spiral av glødende materie
Bak sløret: Et sort hulls hendelseshorisont inneholder et uendelig antall mikrotilstander, men å uttrykke disse mikrotilstandene i form av et begrenset sett med representative kvantesuperposisjoner gjør det mulig å kvantifisere entropien innenfor. (Med tillatelse: Shutterstock/oorka)

En ny teoretisk modell kan løse et 50 år gammelt puslespill om entropien til sorte hull. Modellen er utviklet av fysikere i USA, Belgia og Argentina, og bruker konseptet med kvantemekaniske ormehull for å telle antall kvantemikrotilstander i et svart hull. De resulterende tellingene stemmer overens med spådommer gjort av den såkalte Bekenstein-Hawking entropiformelen og kan føre til en dypere forståelse av disse ekstreme astrofysiske objektene.

Svart hull termodynamikk

Svarte hull får navnet sitt fordi deres intense tyngdekraft forvrider romtiden så mye at ikke engang lys kan slippe ut etter å ha kommet inn i dem. Dette gjør det umulig å observere hva som foregår inni dem direkte. Men takket være teoretisk arbeid utført av Jacob Bekenstein og Stephen Hawking på 1970-tallet, vet vi at sorte hull har entropi, og mengden entropi er gitt av en formel som bærer navnene deres.

I klassisk termodynamikk oppstår entropi fra mikroskopisk kaos og uorden, og mengden entropi i et system er relatert til antall mikrotilstander i samsvar med en makroskopisk beskrivelse av det systemet. For kvanteobjekter teller en kvantesuperposisjon av mikrotilstander også som en mikrotilstand, og entropi er relatert til antall måter alle kvantemikrotilstander kan bygges ut av slike superposisjoner.

Årsakene til svart hulls entropi er et åpent spørsmål, og en rent kvantemekanisk beskrivelse har så langt unngått forskerne. På midten av 1990-tallet utledet strengteoretikere en måte å telle et svart hulls kvantemikrotilstander på som stemmer overens med Bekenstein-Hawking-formelen for visse sorte hull. Metodene deres gjelder imidlertid bare for en spesiell klasse supersymmetriske sorte hull med finjusterte ladninger og masser. De fleste sorte hull, inkludert de som produseres når stjerner kollapser, er ikke dekket.

Utover horisonten

I det nye arbeidet utviklet forskere fra University of Pennsylvania, Brandeis University og Santa Fe Institute, alle i USA, sammen med kolleger ved Belgias Vrije Universiteit Brussel og Argentinas Instituto Balseiro en tilnærming som lar oss kikke inn i et sort hulls interiør. Skriver inn Physical Review Letters, de bemerker at et uendelig antall mulige mikrotilstander eksisterer bak et sort hulls hendelseshorisont – grenseoverflaten som intet lys kan unnslippe. På grunn av kvanteeffekter kan disse mikrotilstandene litt overlappe via tunneler i romtid kjent som ormehull. Disse overlappingene gjør det mulig å beskrive de uendelige mikrotilstandene i form av et begrenset sett med representative kvantesuperposisjoner. Disse representative kvantesuperposisjonene kan på sin side telles og relateres til Bekenstein-Hawking-entropien.

Ifølge Vijay Balasubramanian, en fysiker ved University of Pennsylvania som ledet forskningen, lagets tilnærming gjelder for sorte hull av enhver masse, elektrisk ladning og rotasjonshastighet. Den kan derfor tilby en fullstendig forklaring på den mikroskopiske opprinnelsen til termodynamikk for sorte hull. Etter hans syn er mikrostater med svarte hull "paradigmatiske eksempler på komplekse kvantetilstander med kaotisk dynamikk", og teamets resultater kan til og med inneholde lærdom for hvordan vi tenker om slike systemer generelt. En mulig utvidelse ville være å søke etter en måte å bruke subtile kvanteeffekter for å oppdage svarte hulls mikrostater fra utenfor horisonten.

Juan Maldacena, en teoretiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, USA, som ikke var involvert i denne studien, kaller forskningen et interessant perspektiv på svarte hulls mikrostater. Han bemerker at den er basert på beregning av statistiske egenskaper for overlappingen av svarte hulls rene tilstander som er forberedt via forskjellige prosesser; mens man ikke kan beregne det indre produktet mellom disse forskjellige tilstandene, gjør gravitasjonsteorien, gjennom ormehullsbidrag, det mulig å beregne statistiske egenskaper for deres overlapping. Svaret, sier han, er av statistisk natur og i samme ånd som en annen beregning av svart hull-entropi utført av Hawking og Gary Gibbons i 1977, men det gir et mer levende bilde av de mulige mikrotilstandene.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden