Ново изследване проучва квантовите ефекти върху термодинамиката и геометрията на черните дупки, като се фокусира върху разширяването на две класически неравенства в квантов режим.
Проучването е публикувано в Physical Review Letters.
Черните дупки са задълбочено изследвани чрез класически подход, основан на Общата теория на относителността на Айнщайн. Този подход обаче не отчита квантовите ефекти като лъчението на Хокинг.
Целта на проучването е изследователите да прецизират класическите теории, включвайки квантови ефекти, като по този начин предложат по-добро разбиране на динамиката на черните дупки.
Хипотезата за космическата цензура
Вътре в типична черна дупка съществува област с безкрайна плътност, известна като сингулярност. При сингулярностите се разпадат законите и на квантовата механика, и на гравитацията.
Според хипотезата на космическата цензура, сингулярностите са скрити зад хоризонтите на събитията на черните дупки. Хоризонтът на събитията маркира границата, отвъд която дори светлината не може да избегне силното гравитационно привличане на черната дупка.
Хипотезата помага да се поддържа предсказуемостта на физиката във Вселената, гарантирайки, че голите сингулярности не са видими и не разкриват разпадането на физиката.
В конкретни случаи класическата физика не успява да наложи космическа цензура. Например в триизмерен сценарий (две пространствени измерения и едно времево измерение), могат да възникнат голи конични сингулярности.
В такива случаи учените предполагат, че квантовите ефекти биха покрили сингулярностите, създавайки на хоризонти на събитията. Това води до неравенството на Пенроуз, което определя връзката между хоризонтите на черните дупки и масата на пространство-времето.
Пенроуз и обратното изопериметрично неравенство
"Грубо казано, неравенството на Пенроуз определя долната граница на масата, съдържаща се в пространство-времето, спрямо площта на хоризонта на събитията на черна дупка в това пространство-време", обясняват изследователите.
С други думи, класическото неравенство на Пенроуз осигурява връзка между масата на черна дупка и повърхността на хоризонта на събитията, поставяйки граница върху минималната маса, която може да има черна дупка.
Идеята за квантово неравенство на Пенроуз разширява тази концепция, потенциално свързвайкиенергията на пространство-времето с пълната ентропия на черна дупка и квантовата материя. Има опит за разширяване на действието на това неравенство до квантовия режим до 4-то и по-високи измерения, но остават ограничено в изчислително отношение.
Свързано неравенство, наречено обратно изопериметрично неравенство, осигурява връзка между обема, ограден от хоризонта на събитията на черна дупка и нейната повърхност. Подобно на неравенството на Пенроуз, изследователите се стремят да разширят тази концепция до квантовия режим.
Предишните опити се сблъскват със значително ограничение от силни квантови обратни реакции.
Обратната реакция се отнася до ефекта, който материята и енергията имат върху кривината на пространство-времето (тъканта на Вселената), както е описано от теорията на Айнщайн за Общата теория на относителността. С прости думи, това е веригата за обратна връзка между материята, енергията и пространствено-времевата геометрия.
Двойна холография на вселена от брани
Браните (името им идва от мембрани) са хипотетичен фундаментален многоизмерен физически обект с измерение, по-малко от измерението на пространството, в което се намира. За p-измерна мембрана p е броят на пространствените измерения, а тя обгръща един (р+1)-измерен обем. Материалната точка е 0-брана, струната е 1-брана, мембраната е 2-брана, локализирана в (евклидовото) пространство-време.
В ново изследване е използвана като теоретична рамка на квантовите черни дупки, холографията и космологията на браните, наричена още като двойна холография.
"Холографията на вселена от брани използва холографския принцип, за да получи точно решение на полукласическите гравитационни уравнения, включително обратна реакция към всички порядки. Този формализъм е единственият известен начин, по който този проблем може да бъде адресиран до всички порядки в три или по принцип по-високи измерения", обясняват изследователите.
 |
Изображение на (1 + 1) -измерно анти-де Ситер пространство, вградено в плоско (1 + 2) -измерно пространство. Вградената повърхност съдържа затворени времеподобни криви, обикалящи около оста x. Кредит: Wikimedia Commons |
Изследователите са използвали AdS/CFT съответствие като основа за изследване на квантовите ефекти или корекции в AdS пространството. AdS (Anti-de Sitter space - пространство анти-де Ситер) - е пространство-време с отрицателна кривина (хиперболично) и е особено полезно при изучаване на гравитационни теории, свързани с черните дупки. CFT (конформна теория на полето) е вид квантова теория на полето, която описва поведението на фундаменталните частици, но без влиянието на гравитацията.
 |
 |
| Ако сe изобрази хиперболичното пространство като диск, напомнящ рисунката на Ешер, това AdS - пространството ще бъде подобно купчина от дискове, образуваща твърд цилиндър. Изменението по оста на времето съответства на движение по дължината на цилиндъра. Хиперболичното пространство може да има повече от две измерения. AdS - пространството прилича много на нашето пространство-време (с три пространствени измерения) и дава в напречното сечение на своя "цилиндър" триизмерна картина на Ешер. | |
|
Физиката в AdS - пространството е малко необичайна. Ако един наблюдател се придвижва свободно, би се чувствал като на дъното на гравитационен кладенец. Всеки хвърлен от него обект, би се връщал обратно към него като бумеранг. Любопитното е, че времето, необходимо за връщане, няма да зависи от силата, с която обекта е хвърлен. Но колкото по-силно е хвърлен, толкова по-далече ще лети. Ако някой в AdS - пространството изпрати лъч нанякъде, фотоните, които се движат със скоростта на светлината ще достигнат безкрайност и ще се върнат към източника за крайно време. Лазерният лъч (червената линия) ще достигне границата на вселената и ще се върне за едно и също време. В четиримерното AdS - пространство, което прилича на нашата Вселена, границата във всеки момент няма да е кръг и сфера. Работата е там, че обектите в AdS - пространството, отдалечавайки се от наблюдателя, ще изпитват свиване на времето. |
|
AdS/CFT съответствието предполага двойственост между изучаването на гравитацията в AdS пространството и поведението на фундаменталните частици в по-ниски измерения. По същество може да се изучава гравитацията, изследвайки квантови полета в нискоизмерно пространство и обратно.
Освен това, AdS пространството позволява по-добро дефинирано третиране на черни дупки и сингулярности по границите.
Авторите на новото изследване се фокусират по-специално върху черните дупки тип BTZ (Banados-Teitelboim-Zanelli), които са черни дупки в триизмерното пространство-време, свързано с AdS пространството. Черните дупки BTZ са полезен модел за изучаване на квантови корекции и ефекти на обратна реакция поради тяхната простота и добре разбрано поведение в холографската рамка.
Холографският подход им помага да отчетат квантовите обратни реакции, които са обратните ефекти на квантовата материя върху кривината на пространство-времето.
Отстраняване на пропуските
Изследователите успешно разширяват класическите неравенства на Пенроуз и обърнатите изопериметрични неравенства, за да отчетат квантовите ефекти. Предложената от тях версия е валидна за всички известни черни дупки в триизмерното AdS пространство, дори и с всякакъв ред на квантовата обратна реакция.
Квантовото неравенство на Пенроуз предполага форма на квантова космическа цензура.
"Нашата работа предоставя две граници, които важат не само за ентропията на черната дупка, но и за обобщената ентропия – комбинацията от ентропията на черната дупка и ентропията на полетата на материята извън нея.
"Изследването предполага, че ако ентропията на черните дупки плюс материята надвишава общата енергия на пространство-времето, тогава ще се образува гола сингулярност“, обясняват изследователите.
Определяйки за ефекта от тяхната работа върху областта на квантовата информация, изследователите заявяват: "И двата ни резултата – квантовото неравенство на Пенроуз и квантовото изопериметрично неравенство – могат да се разбират като граници на ентропията.
"Ентропията по своята същност е информационно-теоретична величина и затова предоставяме доказателства за фундаментални граници в теорията на квантовата информация, когато гравитацията е налице. Напълно правдоподобно е тези идеи да имат отношение към квантовата информация.“
Справка: Antonia M. Frassino et al, Quantum Inequalities for Quantum Black Holes, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.181501.
Източник: Extending classical black hole inequalities into the quantum realm, Tejasri Gururaj, Phys.org
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари