Svarta hål är spännande astronomiska föremål som har en gravitationskraft så stark att den hindrar något föremål och till och med ljus från att fly. Även om svarta hål har varit ämnet för många astrofysiska studier, förblir deras ursprung och underliggande fysik till stor del ett mysterium.
Forskare vid University of Pennsylvania och Centro Atómico Bariloche introducerade nyligen en ny modell av svarta håls mikrotillstånd angående ursprunget till entropi (dvs graden av störning) i svarta hål.
Denna modell, presenterad i en artikel publicerad i Physical Review Letters , ger ett alternativt perspektiv på svarta hål som skulle kunna informera framtida astrofysikforskning.
"Bekenstein-Hawking-entropiformeln, som beskriver termodynamiken hos svarta hål, upptäcktes på 1970-talet", säger Vijay Balasubramanian, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Denna formel antyder att svarta hål har en entropi som är proportionell mot arean av deras horisonter.
"Enligt statistisk fysik, som utvecklades av Boltzmann och Gibbs i slutet av 1800-talet, är entropin i ett system relaterat till antalet mikroskopiska konfigurationer som har samma makroskopiska beskrivning.
"I en kvantmekanisk värld som vår uppstår entropi från kvantöverlagringar av "mikrostater", det vill säga mikroskopiska beståndsdelar som ger samma observerbara egenskaper i stor skala."
Fysiker har försökt ge en trovärdig redogörelse för svarta håls entropi i decennier. På 1990-talet utnyttjade Andrew Strominger och Cumrun Vafa en hypotetisk egenskap känd som "supersymmetri" för att ta fram en metod för att räkna mikrotillstånden i en speciell klass av svarta hål för vilka massan är lika med den elektromagnetiska laddningen, i universum med extra dimensioner och flera typer av elektriska och magnetiska fält.
För att förklara ursprunget till entropin av 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 något konto som gäller för den sorts svarta hål som bildas från stjärnkollaps i vår värld," sa Balasubramanian. "Vårt mål var att tillhandahålla ett sådant konto."
Det primära bidraget från detta senaste arbete var att introducera den nya modellen av svarta håls mikrotillstånd, som kan beskrivas i termer av kollapsande dammskal inuti det svarta hålet. Dessutom utarbetade forskarna en teknik för att räkna sätten att överlagra dessa mikrotillstånd kvantmekaniskt.
"Nyckelinsikten i vårt arbete är att mycket olika rumtidsgeometrier som motsvarar uppenbarligen distinkta mikrotillstånd kan blandas med varandra på grund av de subtila effekterna av kvantmekaniska "maskhål" som länkar samman avlägsna områden i rymden," sa Balasubramanian.
"Efter att ha redovisat effekterna av dessa maskhål visade våra resultat att för alla universum som innehåller gravitation och materia är ett svart håls entropi direkt proportionell mot arean av dess händelsehorisont, som Bekenstein och Hawking föreslog."
Det senaste arbetet av Balasubramanian och hans kollegor introducerar ett nytt sätt att tänka om svarta håls mikrotillstånd. Deras modell beskriver dem specifikt som kvantöverlagringar av enkla objekt som är väl beskrivna av klassiska fysikaliska teorier om materia och rumtidsgeometri.
"Detta är mycket överraskande, eftersom samhället hade förväntat sig att en mikroskopisk förklaring av svarta håls entropi skulle kräva den fullständiga utrustningen av en kvantteori om gravitation, som strängteorin," sa Balasubramanian.
"Vi visar också att universum som skiljer sig från varandra på makroskopiska, till och med kosmiska, skalor ibland kan förstås som kvantöverlagringar av andra, makroskopiskt olika universum. Detta är en manifestation av kvantmekaniken i hela universums skala, vilket är förvånande. med tanke på att vi vanligtvis associerar kvantmekanik med småskaliga fenomen."
Det nyligen introducerade teoretiska ramverket kan bana väg för annat teoretiskt arbete som syftar till att förklara svarta håls termodynamik. Samtidigt planerar forskarna att utöka och berika sin beskrivning av svarta håls mikrotillstånd.
"Vi studerar nu i vilken utsträckning och under vilka omständigheter en observatör utanför händelsehorisonten kan avgöra vilket mikrotillstånd ett svart hål befinner sig i", tillade Balasubramanian.
