Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en het Centro Atómico Bariloche hebben onlangs een nieuw model van microstaten van zwarte gaten geïntroduceerd met betrekking tot de oorsprong van entropie (dat wil zeggen de mate van wanorde) in zwarte gaten.

Dit model wordt gepresenteerd in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , biedt een alternatief perspectief op zwarte gaten dat toekomstig astrofysisch onderzoek zou kunnen inspireren.

"De Bekenstein-Hawking-entropieformule, die de thermodynamica van zwarte gaten beschrijft, werd ontdekt in de jaren zeventig", vertelde Vijay Balasubramanian, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. ‘Deze formule suggereert dat zwarte gaten een entropie hebben die evenredig is met het gebied van hun horizon.

"Volgens de statistische natuurkunde, zoals ontwikkeld door Boltzmann en Gibbs aan het einde van de 19e eeuw, is de entropie van een systeem gerelateerd aan het aantal microscopische configuraties die dezelfde macroscopische beschrijving hebben.

"In een kwantummechanische wereld als de onze komt entropie voort uit de kwantumsuperposities van 'microstaten', dat wil zeggen microscopische bestanddelen die op grote schaal dezelfde waarneembare eigenschappen opleveren."

Natuurkundigen proberen al tientallen jaren een geloofwaardig verslag te geven van de entropie van zwarte gaten. In de jaren negentig maakten Andrew Strominger en Cumrun Vafa gebruik van een hypothetische eigenschap die bekend staat als ‘supersymmetrie’ om een ​​methode te bedenken om de microtoestanden te tellen van een speciale klasse zwarte gaten waarvoor de massa gelijk is aan de elektromagnetische lading, in universums met extra dimensies en meerdere soorten trillingen. elektrische en magnetische velden.

Om de oorsprong van de entropie van zwarte gaten in universums zoals het onze te verklaren, moesten Balasubramanian en zijn collega's een nieuw theoretisch raamwerk creëren.

"Ondanks eerdere pogingen is er tot nu toe geen verslag dat van toepassing is op het soort zwarte gaten dat ontstaat door de ineenstorting van sterren in onze wereld", zei Balasubramanian. "Ons doel was om zo'n account aan te bieden."

De belangrijkste bijdrage van dit recente werk was de introductie van het nieuwe model van microstaten met zwarte gaten, dat kan worden beschreven in termen van instortende stofomhulsels in het zwarte gat. Bovendien bedachten de onderzoekers een techniek om de manieren te tellen waarop deze microstaten kwantummechanisch kunnen worden gesuperponeerd.

"Het belangrijkste inzicht van ons werk is dat zeer verschillende ruimtetijdgeometrieën die overeenkomen met ogenschijnlijk verschillende microstaten met elkaar kunnen vermengen vanwege de subtiele effecten van kwantummechanische 'wormgaten' die verre gebieden in de ruimte met elkaar verbinden," zei Balasubramanian.

"Nadat we rekening hadden gehouden met de effecten van deze wormgaten, toonden onze resultaten aan dat voor elk universum dat zwaartekracht en materie bevat, de entropie van een zwart gat recht evenredig is met het gebied van zijn waarnemingshorizon, zoals Bekenstein en Hawking voorstelden."

Het recente werk van Balasubramanian en zijn collega's introduceert een nieuwe manier van denken over microstaten met zwarte gaten. Hun model beschrijft ze specifiek als kwantumsuperposities van eenvoudige objecten die goed worden beschreven door klassieke natuurkundige theorieën over materie en ruimtetijdgeometrie.

"Dit is zeer verrassend, omdat de gemeenschap had verwacht dat een microscopische verklaring van de entropie van zwarte gaten het volledige apparaat van een kwantumtheorie van de zwaartekracht zou vereisen, zoals de snaartheorie," zei Balasubramanian.

‘We laten ook zien dat universums die op macroscopische, zelfs kosmische schaal van elkaar verschillen, soms kunnen worden begrepen als kwantumsuperposities van andere, macroscopisch verschillende universums. Dit is een manifestatie van kwantummechanica op de schaal van het hele universum, wat verrassend is. gegeven het feit dat we de kwantummechanica doorgaans associëren met kleinschalige verschijnselen."

Het nieuw geïntroduceerde theoretische raamwerk zou de weg kunnen vrijmaken voor ander theoretisch werk gericht op het verklaren van de thermodynamica van zwarte gaten. Ondertussen zijn de onderzoekers van plan hun beschrijving van microstaten met zwarte gaten uit te breiden en te verrijken.

"We bestuderen nu in welke mate en onder welke omstandigheden een waarnemer buiten de waarnemingshorizon kan bepalen in welke microstaat een zwart gat zich bevindt", voegde Balasubramanian eraan toe.