Защо уравнението на Стивън Хокинг за черна дупка работи

Стивън Хокинг и Джейкъб Бекенщайн изчисляват ентропията на черна дупка през 70-те години на миналия век, но досега на физиците не бяха открили квантовите ефекти, които карат формулата да работи

Ваня Милева Последна промяна на 09 април 2024 в 00:00 4528 0

Визуализация на черна дупка от AI

Кредит Easy-Peasy.AI (CC BY-ND 4.0 DEED)

Визуализация на черна дупка от AI.

Най-сетне се разбра как черните дупки получават своята ентропия. Физиците се опитват да разберат това от началото на 70-те години на миналия век, когато Стивън Хокинг и Джейкъб Бекенщайн изчисляват колко ентропия или безпорядък трябва да присъства в една черна дупка. Сега, с малко помощ от квантовата механика, изследователите може би най-накрая са решили проблема.

"Дълго време хората си мислеха, че за да се реши този проблем, трябва да се направят всякакви причудливи неща в теорията на струните. Но ние показваме, че съществува набор от състояния, за които не е необходимо да се прави това", обяснява Виджай Баласубраманиан (Vijay Balasubramanian) от Университета на Пенсилвания. "Това се оказва изключително просто, неочаквано."

Ентропията в една черна дупка е свързана с това колко точно микроскопични състояния се побират в нея. Представете си едно от тези космически чудовища като облак газ - за да изчислим количеството на безпорядъка в газа, трябва да знаем колко атома или молекули съдържа той.

Баласубраманян и колегите му моделират микросъстоянията в черна дупка. След това те откриват формула за преброяване на всички тези състояния, което им позволява да изчислят общата ентропия на черната дупка. Броят на състоянията в черна дупка с масата на слънцето например е около 27, последвани от 1075 нули. За сравнение, в наблюдаемата Вселена има около 1080 атома.

За да си представите как са преброени микроскопичните състояния, представете си всяко от тях като топка за тенис.

"Ако погледнете във вътрешността на черната дупка, там има много пространство, много обем между хоризонта и сингулярността, така че можете да си представите, че там са поставени много топки за тенис", обяснява Баласубраманян. "Но всъщност в крайна сметка поставяте прекалено много топки за тенис и пресмятате ентропията."

Това е така, защото черните дупки в същността си са квантови обекти.

За да могат топките за тенис наистина да представят микроскопичните състояния в черната дупка, те трябва да са квантови, а квантовите състояния се характеризират с екзотично поведение, каквото обикновените нямат. Те създават миниатюрни тунели в пространство-времето и се свързват помежду си чрез тези "квантови червееви дупки", което на по-прост език означава, че се припокриват едно с друго.

Следователно някои от квантовите състояния могат да бъдат представени като комбинации от други състояния, което ги прави ненужни за описване на ентропията на черната дупка. Когато изследователите отчитат тези квантови ефекти, те откриват множество състояния във вътрешността на черните дупки, които съответстват на формулата на Бекенщайн-Хокинг.

"Въпреки че конкретният набор от микросъстояния, описан тук, е малко изкуствен... същият основен механизъм би трябвало да работи за произволни микросъстояния", коментира Дон Маролф (Don Marolf) от Калифорнийския университет в Санта Барбара. "Това е... солидна стъпка в правилната посока - важен камък, който да поставим на пътя."

Описването на състоянията вътре в една черна дупка е важно не само за изчисляването на нейната ентропия, но и за опитите да се разреши космическата загадка, наречена информационен парадокс на черната дупка, според който, тъй като информацията не може да бъде унищожена, черната дупка трябва по някакъв начин да запази данни за това, което е попаднало в нея.

"Това доказва съществуването на пространство от състояния, което е достатъчно голямо, за да може да се запази информацията", отбелязва Баласубраманян. "Въпросът, който остава, е как тази информация може да се прочете, когато черната дупка в крайна сметка се изпари?" Въпросът му е свързан с друго от известните уравнения на Хокинг – но то засега остава без отговор.

Справка: Microscopic Origin of the Entropy of Astrophysical Black Holes; Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence, Javier M. Magán, and Martin Sasieta; Phys. Rev. Lett. 132, 141501 – Published 1 April 2024 DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.141501

Източник: We finally know why Stephen Hawking's black hole equation works, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !