Kvantmekaniska maskhål fyller luckor i svarta håls entropi – Physics World

En ny teoretisk modell skulle kunna lösa ett 50 år gammalt pussel om svarta håls entropi. Modellen har utvecklats av fysiker i USA, Belgien och Argentina och använder konceptet med kvantmekaniska maskhål för att räkna antalet kvantmikrotillstånd i ett svart hål. De resulterande räkningarna överensstämmer med förutsägelser gjorda av den så kallade Bekenstein-Hawking-entropiformeln och kan leda till en djupare förståelse av dessa extrema astrofysiska objekt.

Svarta håls termodynamik

Svarta hål har fått sitt namn eftersom deras intensiva gravitation förvränger rumtiden så mycket att inte ens ljus kan komma ut efter att ha kommit in i dem. Detta gör det omöjligt att direkt observera vad som händer inuti dem. Men tack vare det teoretiska arbete som Jacob Bekenstein och Stephen Hawking gjorde på 1970-talet vet vi att svarta hål har entropi, och mängden entropi ges av en formel som bär deras namn.

I klassisk termodynamik uppstår entropi från mikroskopiskt kaos och oordning, och mängden entropi i ett system är relaterad till antalet mikrotillstånd som överensstämmer med en makroskopisk beskrivning av det systemet. För kvantobjekt räknas en kvantsuperposition av mikrotillstånd också som ett mikrotillstånd, och entropi är relaterad till antalet sätt på vilka alla kvantmikrotillstånd kan byggas ut ur sådana superpositioner.

Orsakerna till svarta håls entropi är en öppen fråga, och en rent kvantmekanisk beskrivning har hittills gäckat forskare. I mitten av 1990-talet härledde strängteoretiker ett sätt att räkna ett svart håls kvantmikrotillstånd som överensstämmer med Bekenstein-Hawkings formel för vissa svarta hål. Deras metoder gäller dock bara en speciell klass av supersymmetriska svarta hål med finjusterade laddningar och massor. De flesta svarta hål, inklusive de som produceras när stjärnor kollapsar, är inte täckta.

Bortom horisonten

I det nya arbetet utvecklade forskare från University of Pennsylvania, Brandeis University och Santa Fe Institute, alla i USA, tillsammans med kollegor vid Belgiens Vrije Universiteit Brussel och Argentinas Instituto Balseiro ett tillvägagångssätt som gör att vi kan kika in i ett svart håls interiör. Skriver in Fysiska granskningsbrev, de noterar att ett oändligt antal möjliga mikrotillstånd existerar bakom ett svart håls händelsehorisont – gränsytan från vilken inget ljus kan fly. På grund av kvanteffekter kan dessa mikrotillstånd något överlappa varandra via tunnlar i rymdtid som kallas maskhål. Dessa överlappningar gör det möjligt att beskriva de oändliga mikrotillstånden i termer av en ändlig uppsättning representativa kvantöverlagringar. Dessa representativa kvantsuperpositioner kan i sin tur räknas och relateras till Bekenstein-Hawking-entropin.

Enligt Vijay Balasubramanian, en fysiker vid University of Pennsylvania som ledde forskningen, lagets tillvägagångssätt gäller svarta hål oavsett massa, elektrisk laddning och rotationshastighet. Den skulle därför kunna erbjuda en fullständig förklaring av det mikroskopiska ursprunget till termodynamiken för svarta hål. Enligt hans åsikt är mikrotillstånd med svarta hål "paradigmatiska exempel på komplexa kvanttillstånd med kaotisk dynamik", och teamets resultat kan till och med innehålla lektioner för hur vi tänker om sådana system i allmänhet. En möjlig förlängning skulle vara att söka efter ett sätt att använda subtila kvanteffekter för att upptäcka svarta håls mikrotillstånd från utanför horisonten.

Juan Maldacena, en teoretiker vid Institute for Advanced Study i Princeton, USA, som inte var involverad i denna studie, kallar forskningen för ett intressant perspektiv på svarta håls mikrotillstånd. Han noterar att det är baserat på beräkning av statistiska egenskaper för överlappningen av rena tillstånd från svarta hål som framställs via olika processer; medan man inte kan beräkna den inre produkten mellan dessa olika tillstånd, gör gravitationsteorin, genom bidrag från maskhål, det möjligt att beräkna statistiska egenskaper för deras överlappning. Svaret, säger han, är statistiskt till sin natur och i samma anda som en annan beräkning av svarta håls entropi utförd av Hawking och Gary Gibbons 1977, men det ger en mer levande bild av de möjliga mikrotillstånden.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/