Physical Review Letters: объяснено происхождение энтропии в черных дырах
Изображение: Aruna Balasubramanian / phys.org
Ученые Пенсильванского университета и Атомного центра в Сан-Карлос-де-Барилоче (Аргентина) представили новую модель микросостояний черной дыры, объясняющую происхождения энтропии (степени беспорядка) внутри черных дыр. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, предлагает альтернативный взгляд на черные дыры, который может послужить основой для будущих астрофизических исследований.
В 1970-х годах была предложена формула энтропии Бекенштейна-Хокинга, описывающая термодинамику черных дыр и предполагающая, что черные дыры имеют энтропию, пропорциональную площади их горизонтов. При этом согласно статистической физике, разработанной Больцманом и Гиббсом еще в конце XIX века, энтропия системы связана с количеством микроскопических конфигураций, имеющих одинаковое макроскопическое описание. Например, капля краски, упавшая в воду в стакане, поначалу имеет низкую энтропию, но при растворении энтропия системы возрастает, потому что существует множество способов разместить молекулы краски так, чтобы вода в стакане стала окрашенной.
В квантово-механическом мире энтропия связана с микросостояниями, находящимися в суперпозиции, которые в больших масштабах дают одни и те же наблюдаемые характеристики. Применительно к черным дырам выделить микросостояния очень сложно, поскольку эти объекты полностью описываются лишь несколькими наблюдаемыми параметрами — массой, связанной с площадью горизонта событий, и спином, характеризующим скорость вращения, — тогда как другие скрываются под горизонтом событий. До сих пор имелись работы по объяснению энтропии черных дыр в альтернативных вселенных с большим числом измерений, где внешние свойства черных дыр зависели от различных видов магнитных и электрических полей.
Для объяснения энтропии черной дыры в обычной вселенной, лишенной дополнительных измерений, ученым пришлось разработать новую теоретическую основу. Они представили модель микросостояний черной дыры, описываемых коллапсом пылевых оболочек внутри черной дыры. Также был предложен метод подсчета различных комбинаций микросостояний, находящихся в суперпозиции.
Этими микросостояниями являются разные геометрии пространства-времени, и они могут перекрываться друг с другом из-за возникновения квантово-механических червоточин, связывающих отдаленные области пространства. Ученые показали, что если учитывать эффект от червоточин, то в любой вселенной, содержащей материю и гравитацию, энтропия черной дыры прямо пропорциональна площади ее горизонта событий, как это предполагали Бекенштейн и Хокинг.
Результаты показывают, что энтропия черных дыр может описываться классическими физическими теориями материи и геометрии пространства-времени. Ранее физическое сообщество ожидало, что подобная модель обязательно потребует инструментарий квантовой теории гравитации, такой как теория струн. В дальнейшем исследователи планируют расширить и обогатить свое описание микросостояний черной дыры, изучив, при каких обстоятельствах наблюдатель за горизонтом событий может определить, в каком микросостоянии находится черная дыра.
