Svarta hål är spännande astronomiska objekt som har en så stark gravitation att de hindrar alla objekt och till och med ljus från att ta sig ut. Svarta hål har varit föremål för många astrofysiska studier, men deras ursprung och underliggande fysik är fortfarande till stor del ett mysterium.
Forskare vid University of Pennsylvania och Centro Atómico Bariloche har nyligen presenterat en ny modell för mikrotillstånd i svarta hål som handlar om ursprunget till entropi (dvs. graden av oordning) i svarta hål.
Denna modell, som presenteras i en artikel publicerad i Physical Review Letters, ger ett alternativt perspektiv på svarta hål som kan ligga till grund för framtida astrofysikforskning.
”Bekenstein-Hawkings entropiformel, som beskriver termodynamiken hos svarta hål, upptäcktes på 1970-talet”, säger Vijay Balasubramanian, medförfattare till artikeln, till Phys.org. ”Denna formel antyder att svarta hål har en entropi som är proportionell mot ytan på deras horisonter.
”Enligt den statistiska fysiken, som utvecklades av Boltzmann och Gibbs i slutet av 1800-talet, är entropin i ett system relaterad till antalet mikroskopiska konfigurationer som har samma makroskopiska beskrivning.
”I en kvantmekanisk värld som vår uppstår entropi från kvantöverlagringarna av ”mikrotillstånd”, det vill säga mikroskopiska beståndsdelar som ger samma observerbara egenskaper på stora skalor.”
Fysiker har försökt att ge en trovärdig förklaring till entropin i svarta hål i årtionden. På 1990-talet utnyttjade Andrew Strominger och Cumrun Vafa en hypotetisk egenskap som kallas ”supersymmetri” för att ta fram en metod för att räkna mikrotillstånden i en speciell klass av svarta hål där massan är lika med den elektromagnetiska laddningen, i universum med extra dimensioner och flera olika typer av elektriska och magnetiska fält.
För att förklara entropins ursprung i svarta hål i universum som vårt var Balasubramanian och hans kollegor tvungna att skapa ett nytt teoretiskt ramverk.
”Trots tidigare försök har det hittills inte funnits någon förklaring som kan tillämpas på de typer av svarta hål som bildas vid stjärnkollaps i vår värld”, säger Balasubramanian. ”Vårt mål var att ge en sådan redogörelse.”
Det primära bidraget från detta nya arbete var att introducera den nya modellen för mikrotillstånd i svarta hål, som kan beskrivas i termer av kollapsande dammskal inuti det svarta hålet. Dessutom har forskarna utvecklat en teknik för att kvantmekaniskt räkna antalet sätt att överlagra dessa mikrotillstånd.
”Den viktigaste insikten i vårt arbete är att mycket olika rumtidsgeometrier som motsvarar till synes distinkta mikrotillstånd kan blandas med varandra på grund av de subtila effekterna av kvantmekaniska ’maskhål’ som länkar samman avlägsna regioner i rymden”, säger Balasubramanian.
”Efter att ha tagit hänsyn till effekterna av dessa maskhål visade våra resultat att för alla universum som innehåller gravitation och materia är ett svart håls entropi direkt proportionell mot ytan av dess händelsehorisont, vilket Bekenstein och Hawking föreslog.”
Balasubramanian och hans kollegors senaste arbete introducerar ett nytt sätt att tänka kring mikrotillstånd i svarta hål. Deras modell beskriver dem specifikt som kvantöverlagringar av enkla objekt som är väl beskrivna av klassiska fysiska teorier om materia och rumtidsgeometri.
”Det här är mycket förvånande, eftersom forskarvärlden hade förväntat sig att en mikroskopisk förklaring av svarta håls entropi skulle kräva en fullständig kvantgravitationsteori, t.ex. strängteori”, säger Balasubramanian.
”Vi visar också att universum som skiljer sig från varandra på makroskopiska, till och med kosmiska, skalor ibland kan förstås som kvantsuperpositioner av andra, makroskopiskt olika universum. Detta är en manifestation av kvantmekanik på hela universums skala, vilket är förvånande med tanke på att vi vanligtvis förknippar kvantmekanik med småskaliga fenomen.”
Det nyligen introducerade teoretiska ramverket kan bana väg för andra teoretiska arbeten som syftar till att förklara termodynamiken hos svarta hål. Under tiden planerar forskarna att utöka och berika sin beskrivning av mikrotillstånd i svarta hål.
”Vi studerar nu i vilken utsträckning, och under vilka omständigheter, en observatör utanför händelsehorisonten kan avgöra vilket mikrotillstånd ett svart hål befinner sig i”, säger Balasubramanian.
Ytterligare information: Vijay Balasubramanian et al, Microscopic Origin of the Entropy of Astrophysical Black Holes, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.141501
