Ein Modell, das den mikroskopischen Ursprung der Entropie eines Schwarzen Lochs zeigt

Schwarze Löcher sind interessante astronomische Objekte, die eine so starke Schwerkraft haben, dass sie jedes Objekt, sogar Licht, am Entweichen hindern. Während Schwarze Löcher Gegenstand zahlreicher astrophysikalischer Studien waren, bleiben ihr Ursprung und ihre grundlegende Physik weitgehend ein Rätsel.

Forscher der University of Pennsylvania und des Bariloche Atomic Center stellten kürzlich ein neues Modell für Mikrozustände von Schwarzen Löchern vor, das den Ursprung der Entropie (d. h. den Grad der Unordnung) in Schwarzen Löchern untersucht.

Dieses in A vorgestellte Modell Papier Veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungEs bietet eine alternative Sicht auf Schwarze Löcher, die der zukünftigen astrophysikalischen Forschung zugute kommen könnte.

„Die Bekenstein-Hawking-Entropieformel, die die Thermodynamik von Schwarzen Löchern beschreibt, wurde in den 1970er Jahren entdeckt“, sagte Vijay Balasubramanian, Mitautor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Diese Formel zeigt, dass Schwarze Löcher eine Entropie haben, die proportional zur Fläche ihres Horizonts ist.

„Laut der statistischen Physik, wie sie Ende des 19. Jahrhunderts von Boltzmann und Gibbs entwickelt wurde, hängt die Entropie eines Systems mit der Anzahl der mikroskopischen Konfigurationen zusammen, die die gleiche makroskopische Beschreibung haben.

„In einer quantenmechanischen Welt wie der unseren entsteht Entropie aus Quantenüberlagerungen von ‚mikroskopischen Zuständen‘, also mikroskopischen Komponenten, die auf großen Skalen die gleichen beobachtbaren Merkmale erzeugen.“

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, eine verlässliche Erklärung für die Entropie Schwarzer Löcher zu liefern. In den 1990er Jahren nutzten Andrew Strominger und Cumron Vava eine hypothetische Eigenschaft namens „Supersymmetrie“, um eine Methode zur Berechnung der genauen Zustände einer speziellen Klasse von Schwarzen Löchern zu entwickeln, deren Masse der elektromagnetischen Ladung entspricht, in extradimensionalen Universen und mehrere Arten von Schwarzen Löchern. Elektrische und magnetische Felder.

Um den Ursprung der Entropie von Schwarzen Löchern in Universen wie unserem zu erklären, mussten Balasubramanian und seine Kollegen einen neuen theoretischen Rahmen schaffen.

„Trotz früherer Versuche gibt es immer noch keine Erklärung, die für die Arten von Schwarzen Löchern gilt, die als Folge des Sternkollapses in unserem Universum entstehen“, sagte Balasubramanian. „Unser Ziel war es, ein solches Konto bereitzustellen.“

Der Hauptbeitrag dieser jüngsten Arbeit war die Einführung des neuen Modells der Mikrozustände von Schwarzen Löchern, die anhand des Zusammenbruchs von Staubhüllen im Inneren eines Schwarzen Lochs beschrieben werden können. Darüber hinaus haben die Forscher eine Technik entwickelt, um die Art und Weise zu berechnen, wie diese quantenmechanisch präzisen Zustände überlagert werden.

„Die Hauptidee unserer Arbeit ist, dass sehr unterschiedliche Raum-Zeit-Geometrien, die scheinbar unterschiedlichen Mikrozuständen entsprechen, aufgrund subtiler Effekte quantenmechanischer ‚Wurmlöcher‘, die entfernte Regionen des Raums verbinden, ineinander übergehen können“, sagte Balasubramanian.

„Nach Berücksichtigung der Auswirkungen dieser Wurmlöcher zeigen unsere Ergebnisse, dass für jedes Universum, das Schwerkraft und Materie enthält, die Entropie eines Schwarzen Lochs direkt proportional zur Fläche des Ereignishorizonts ist, wie Bekenstein und Hawking vorgeschlagen haben.“

Aktuelle Arbeiten von Balasubramanian und Kollegen bieten eine neue Denkweise über kleine Staaten in einem Schwarzen Loch. Ihr Modell beschreibt sie konkret als Quantenüberlagerungen einfacher Objekte, die durch klassische physikalische Theorien der Materie und der Geometrie der Raumzeit gut beschrieben werden.

„Das ist sehr überraschend, denn die Gemeinschaft hatte erwartet, dass eine mikroskopische Erklärung der Entropie in Schwarzen Löchern den gesamten Apparat einer Quantentheorie der Schwerkraft, wie etwa der Stringtheorie, erfordern würde“, sagte Balasubramanian.

„Wir haben auch gezeigt, dass Universen, die sich auf makroskopischer, sogar kosmischer Ebene unterscheiden, manchmal als Quantenüberlagerung anderer Universen verstanden werden können, die sich auf makroskopischer Ebene unterscheiden.“ das gesamte Universum, was überraschend ist, wenn man bedenkt, dass wir normalerweise „womit wir Quantenmechanik assoziieren, kleinräumige Phänomene sind.“

Der neu vorgestellte theoretische Rahmen könnte den Weg für weitere theoretische Arbeiten zur Erklärung der Thermodynamik von Schwarzen Löchern ebnen. Gleichzeitig wollen die Forscher ihre Beschreibung kleiner Zustände im Schwarzen Loch erweitern und bereichern.

„Wir untersuchen nun, inwieweit und unter welchen Bedingungen ein Beobachter außerhalb des Ereignishorizonts den genauen Zustand bestimmen kann, in dem sich das Schwarze Loch befindet“, fügte Balasubramanian hinzu.