รูหนอนเชิงกลควอนตัมเติมเต็มช่องว่างในเอนโทรปีของหลุมดำ - โลกฟิสิกส์

รูหนอนเชิงกลควอนตัมเติมเต็มช่องว่างในเอนโทรปีของหลุมดำ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 25 เมษายน 2024 4:30 น


ภาพวาดของศิลปินเกี่ยวกับหลุมดำที่ล้อมรอบด้วยเกลียวของสสารเรืองแสง
เบื้องหลังม่าน: ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำมีจำนวนไมโครสเตตเป็นอนันต์ แต่การแสดงไมโครสเตตเหล่านี้ในรูปของชุดที่มีจำนวนจำกัดของการซ้อนทับของควอนตัมที่เป็นตัวแทน ทำให้สามารถหาปริมาณเอนโทรปีภายในได้ (เอื้อเฟื้อโดย: Shutterstock/oorka)

แบบจำลองทางทฤษฎีใหม่สามารถไขปริศนาเอนโทรปีของหลุมดำอายุ 50 ปีได้ แบบจำลองนี้พัฒนาขึ้นโดยนักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกา เบลเยียม และอาร์เจนตินา โดยใช้แนวคิดเรื่องรูหนอนกลควอนตัมเพื่อนับจำนวนไมโครสเตตควอนตัมภายในหลุมดำ การนับผลลัพธ์นั้นสอดคล้องกับการคาดการณ์ของสิ่งที่เรียกว่าสูตรเอนโทรปีของเบเคนสไตน์-ฮอว์คิง และอาจนำไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวัตถุทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์สุดขั้วเหล่านี้

อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ

หลุมดำได้ชื่อมาเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของพวกมันทำให้อวกาศ-เวลาบิดเบี้ยวมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีไปได้หลังจากเข้าไปแล้ว ทำให้ไม่สามารถสังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นภายในได้โดยตรง อย่างไรก็ตาม ต้องขอบคุณงานทางทฤษฎีที่ทำโดย Jacob Bekenstein และ Stephen Hawking ในปี 1970 เรารู้ว่าหลุมดำมีเอนโทรปี และปริมาณของเอนโทรปีนั้นกำหนดโดยสูตรที่มีชื่อของมัน

ในอุณหพลศาสตร์คลาสสิก เอนโทรปีเกิดขึ้นจากความวุ่นวายและความผิดปกติของกล้องจุลทรรศน์ และปริมาณของเอนโทรปีในระบบมีความสัมพันธ์กับจำนวนไมโครสเตตที่สอดคล้องกับคำอธิบายระดับมหภาคของระบบนั้น สำหรับวัตถุควอนตัม การซ้อนทับควอนตัมของไมโครสเตตจะนับเป็นไมโครสเตตด้วย และเอนโทรปีเกี่ยวข้องกับจำนวนวิธีที่สามารถสร้างไมโครสเตตควอนตัมทั้งหมดจากการซ้อนทับดังกล่าวได้

สาเหตุของเอนโทรปีของหลุมดำเป็นคำถามเปิด และจนถึงขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายคำอธิบายเชิงกลศาสตร์ควอนตัมเพียงอย่างเดียวได้ ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 นักทฤษฎีสตริงได้ค้นพบวิธีการนับไมโครสเตตควอนตัมของหลุมดำซึ่งสอดคล้องกับสูตรเบเกนสไตน์-ฮอว์คิงสำหรับหลุมดำบางชนิด อย่างไรก็ตาม วิธีการของพวกเขาใช้ได้กับหลุมดำสมมาตรยิ่งยวดประเภทพิเศษที่มีประจุและมวลที่ได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดเท่านั้น หลุมดำส่วนใหญ่ รวมถึงหลุมดำที่เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ยุบตัวยังไม่ถูกบดบัง

สุดขอบฟ้า

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย มหาวิทยาลัยแบรนไดส์ และสถาบันซานตาเฟ ทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา ร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่ Vrije Universiteit Brussel ของเบลเยียม และ Instituto Balseiro ของอาร์เจนตินา ได้พัฒนาแนวทางที่ช่วยให้เรามองเข้าไปภายในหลุมดำได้ ภายใน กำลังเขียนอยู่ จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น, พวกเขาสังเกตว่ามีไมโครสเตตที่เป็นไปได้จำนวนอนันต์อยู่หลังขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ ซึ่งเป็นพื้นผิวขอบเขตที่แสงไม่สามารถเล็ดลอดออกไปได้ เนื่องจากผลกระทบทางควอนตัม ไมโครสเตตเหล่านี้สามารถทับซ้อนกันเล็กน้อยผ่านอุโมงค์ในอวกาศ-เวลาที่เรียกว่ารูหนอน การทับซ้อนเหล่านี้ทำให้สามารถอธิบายไมโครสเตตที่ไม่มีที่สิ้นสุดในแง่ของชุดที่มีจำกัดของการซ้อนทับของควอนตัมที่เป็นตัวแทน การซ้อนทับควอนตัมที่เป็นตัวแทนเหล่านี้สามารถนับและเกี่ยวข้องกับเอนโทรปีของเบเกนสไตน์-ฮอว์คิงได้

ตามที่ วิชัย บาลาสุบรามาเนียนเป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย แนวทางของทีมนำไปใช้กับหลุมดำที่มีมวล ประจุไฟฟ้า และความเร็วในการหมุน จึงสามารถให้คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับต้นกำเนิดด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ ในมุมมองของเขา ไมโครสเตตของหลุมดำเป็น "ตัวอย่างกระบวนทัศน์ของสถานะควอนตัมที่ซับซ้อนพร้อมพลวัตที่วุ่นวาย" และผลลัพธ์ของทีมอาจถือเป็นบทเรียนว่าเราคิดอย่างไรเกี่ยวกับระบบดังกล่าวโดยทั่วไป ส่วนขยายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งคือการค้นหาวิธีใช้เอฟเฟกต์ควอนตัมที่ละเอียดอ่อนเพื่อตรวจจับไมโครสเตตของหลุมดำจากนอกขอบฟ้า

ฮวนมัลดาเซนานักทฤษฎีจากสถาบันการศึกษาขั้นสูงในเมืองพรินซ์ตัน สหรัฐอเมริกา ที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ เรียกการวิจัยนี้เป็นมุมมองที่น่าสนใจเกี่ยวกับไมโครสเตตของหลุมดำ เขาตั้งข้อสังเกตว่ามันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางสถิติของการคำนวณของการทับซ้อนของสถานะบริสุทธิ์ของหลุมดำที่จัดทำขึ้นผ่านกระบวนการที่แตกต่างกัน ในขณะที่ไม่มีใครคำนวณผลคูณภายในระหว่างสถานะต่างๆ เหล่านี้ ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงผ่านการมีส่วนร่วมของรูหนอน ทำให้สามารถคำนวณคุณสมบัติทางสถิติของการทับซ้อนกันได้ เขากล่าวว่าคำตอบนั้นเป็นไปตามธรรมชาติทางสถิติและมีเจตนารมณ์เดียวกันกับการคำนวณเอนโทรปีของหลุมดำอีกรูปแบบหนึ่งที่ดำเนินการโดย Hawking และ Gary Gibbons ในปี 1977 แต่มันให้ภาพที่คมชัดยิ่งขึ้นของไมโครสเตตที่เป็นไปได้

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์