Что скрывается внутри чёрной дыры? Новая модель объясняет энтропию на микроуровне

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Черные дыры, эти космические монстры, поглощающие всё, что попадает в их гравитационные объятия, долгое время оставались загадкой для ученых. Одна из самых интригующих тайн — энтропия черных дыр, величина, отражающая степень хаоса и неупорядоченности их внутреннего состояния. Известная формула Бекенштейна-Хокинга утверждает, что энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта событий. Но что стоит за этой формулой, какова микроскопическая природа энтропии? Долгое время ответ оставался неуловимым.

Черная дыра, вольная интерпретация
Автор: Designer

В своей работе, опубликованной в Physical Review Letters, группа ученых из США и Бельгии предлагает элегантное решение этой проблемы. В основе их подхода лежит идея о том, что для объяснения энтропии не требуется знать точный состав всех возможных микросостояний черной дыры. Достаточно лишь оценить, сколько взаимно ортогональных, то есть независимых, состояний может существовать в пределах заданного энергетического диапазона.

Диаграмма Пенроуза временной эволюции микросостояния вечной односторонней черной дыры. Полуклассическое состояние определяется на отражательно-симметричном по времени срезе Коши Σ. Внешняя геометрия простирается между будущим и прошлым горизонтами H+- и конформными нулевыми границами J+-. Внутренняя часть содержит тонкую оболочку W которая делит геометрию на область плоского пространства<внутри оболочки, и областью геометрии черной дыры > за пределами оболочки. Зигзагообразные линии внизу и вверху — это сингулярности белой и черной дыры, где начинается и заканчивается время. Полуклассическое состояние на Σ несингулярно и прекрасно определено.
Автор: Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence, Javier M. Magán, and Martin Sasieta Phys. Rev. Lett. 132, 141501 — Published 1 April 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.141501 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Ученые конструируют бесконечное множество микросостояний вечной черной дыры в пространстве Минковского. Каждое из этих состояний описывает черную дыру с неизменным внешним видом, но с различной внутренней геометрией, сформированной тонкими сферическими оболочками из пылевых частиц. Эти оболочки «рождаются» из сингулярности в прошлом и «умирают» в сингулярности в будущем, никогда не покидая черную дыру.

Ключевым шагом становится расчет степени «перекрытия» этих состояний, то есть их взаимной зависимости. Оказывается, что в квантовой гравитации перекрытие состояний определяется не только их внутренней геометрией, но и вкладом так называемых «кротовых нор», туннелей в пространстве-времени. Вклад кротовых нор оказывается универсальным, то есть одинаковым для всех микросостояний, и зависит только от полной размерности гильбертова пространства, описывающего черную дыру.

Евклидово продолжение геометрии пространства-времени микросостояний вдоль Σ. Евклидово сечение состоит из евклидовой черной дыры (справа) и области евклидова плоского пространства (слева), склеенных вместе по траектории тонкой оболочки. Оболочка стартует на асимптотической пространственной бесконечности, отскакивает назад при R ∗ и возвращается обратно в R = ∞. Евклидово время ˜ β m, ˜ β ′ m ≤ β зависят от массы оболочки.
Автор: Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence, Javier M. Magán, and Martin Sasieta Phys. Rev. Lett. 132, 141501 — Published 1 April 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.141501 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Используя математический аппарат теории случайных матриц, ученые показывают, что количество взаимно ортогональных состояний, то есть ранг матрицы перекрытий, ограничено сверху величиной, экспоненциально зависящей от энтропии Бекенштейна-Хокинга. Другими словами, независимо от того, сколько потенциальных микросостояний мы пытаемся «упаковать» в черную дыру, лишь ограниченное их число может быть независимым, а это число и определяет энтропию.

Вклад евклидовой червоточины во второй момент перекрытия. Границами червоточины являются два внутренних произведения. Она состоит из двух евклидовых черных дыр в плоском пространстве, склеенных вдоль двух оболочек.
Автор: Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence, Javier M. Magán, and Martin Sasieta Phys. Rev. Lett. 132, 141501 — Published 1 April 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.141501 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Предложенный подход не опирается на детали теории струн или других «ультрафиолетовых» моделей квантовой гравитации. Он работает в любой теории, где гравитация описывается общей теорией относительности, а материя — массивными частицами. Авторы работы предполагают, что именно эта универсальность объясняет, почему формула Бекенштейна-Хокинга работает для всех типов черных дыр.

Работа открывает новые горизонты в понимании квантовой природы черных дыр. Впервые получено микроскопическое объяснение энтропии без привлечения специфических деталей ультрафиолетовой физики. Впереди — изучение квантовых поправок к энтропии, связанных с петлевыми эффектами и дискретностью квантовых состояний, которые могут пролить свет на фундаментальную структуру пространства-времени.

В статье говорится, что микросостояния, описывающие разные внутренние геометрии черной дыры, практически ортогональны. Но ведь это означает, что черная дыра «помнит», как она образовалась, противореча это базовому принципу «черная дыра не имеет волос»?

Да, действительно, микросостояния с разной внутренней геометрией практически ортогональны. Это не противоречит принципу «черная дыра не имеет волос», который утверждает, что внешние наблюдатели не могут различить черные дыры с одинаковой массой, зарядом и угловым моментом. Ортогональность микросостояний — это внутреннее свойство черной дыры, недоступное внешнему наблюдению. Более того, перекрытие состояний, хоть и экспоненциально малое, все же ненулевое. Это означает, что черная дыра «забывает» детали своего образования, но этот процесс происходит очень медленно, за время, намного превосходящее возраст Вселенной.

В статье делается акцент на вклад кротовых нор в перекрытие состояний. Но ведь кротовые норы — это гипотетические объекты, существование которых не доказано. Не делает ли это подход авторов спекулятивным?

Вклад кротовых нор в перекрытие состояний — это следствие квантовой природы гравитации. В рамках полуклассического подхода, используемого в статье, кротовые норы — это не какие-то экзотические объекты, а необходимый элемент теории, описывающий непертурбативные эффекты. Более того, существуют модели квантовой гравитации, в которых кротовые норы играют ключевую роль и их существование подтверждается независимыми расчетами.

Авторы утверждают, что их подход универсален и работает для любой теории гравитации, включающей массивную материю. Но ведь существуют альтернативные теории гравитации, например, f(R) гравитация. Применима ли к ним логика статьи?

Да, логика статьи применима и к альтернативным теориям гравитации, если в них существуют аналоги черных дыр и принцип «черная дыра не имеет волос» выполняется. В этом случае микроскопическая природа энтропии также будет определяться перекрытием состояний, хотя конкретный вклад кротовых нор может отличаться.

Статья описывает энтропию вечной черной дыры. Но ведь в реальности черные дыры образуются в результате коллапса звезд. Как результаты статьи можно перенести на этот случай?

Внутренняя геометрия вечной черной дыры и черной дыры, образованной в результате коллапса, качественно похожи на поздних стадиях эволюции. Поэтому основные выводы статьи, касающиеся микроскопической природы энтропии, остаются в силе и для коллапсирующих черных дыр. Однако, количественные детали, связанные с перекрытием состояний, могут отличаться на ранних стадиях эволюции.

3 комментария

s
>>>Что скрывается внутри чёрной дыры?
____________________________________________
Из той же оперы: «Как живут инопланетные цивилизации?» «Что с человеком после смерти?»
112657446964720493423@google
От подавляющего большинства посетителей этого сайта: «Ни… я не понятно, но очень интересно!» )
A
«Оказывается, что в квантовой гравитации перекрытие состояний определяется не только их внутренней геометрией, но и вкладом так называемых «кротовых нор», туннелей в пространстве-времени.»
Непротиворечивой и перенормируемой теории квантовой гравитации нет, а статьи подобного рода есть.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Ноутбуки Gigabyte на Computex 2024: 14-е поколение Intel Core и дискретная графика

Gigabyte привезла на Computex 2024 и ноутбуки. Основной упор делался на игровые модели под брендом Aorus, хотя был и геймерский ноутбук начального уровня под именем самой Gigabyte. Но обо всём по...

Какие популярные виды пластика (не) перерабатываются в России: эко-гайд. Что делать с каждым потребителю

Признаюсь честно, я не из тех, кто готов платить втридорога за органические продукты или тратить часы на сортировку мусора. Но недавно я задумался: а что, если можно внести свой вклад в защиту...

Как восстановить пластик в машине своими руками: несколько рабочих советов

В каждом автомобиле имеются детали, которые не влияют на ходовые качества, однако, такие детали, как пластиковые элементы салона или декоративные элементы кузова, значительно влияют на эстетический...

Главное — не размер, а умение пользоваться... карандашом: обзор новой выставки графики в Третьяковке

В основном здании Государственной Третьяковской галереи систематически проходят выставки, где демонстрируются работы из фондов. На этот раз вновь в залах с 49 по 54 решили показать графику, но в...

Стирально-сушильная машина или отдельная сушилка: что выбрать

Функция сушки вещей может быть реализована как в отдельном приборе, так и быть комбинирована со стиральной машиной. Стоит ли доплачивать и выделять место под 2-й прибор? Сравнение различных...

TANCHJlM 4U: обзор универсальных наушников с переключателем

Сегодня на моём столе новинка, которую я ждал с нетерпением. Наушники TANCHJlM 4U могут похвастаться установленным физическим переключателем, оказывающим очень заметное влияние на характер...