В принципе, все, что попадает в черную дыру, не может покинуть черную дыру. Это значительно усложнило изучение этих загадочных тел, о которых поколения физиков спорили с 1916 года, когда их существование было выдвинуто гипотезой как прямое следствие теории относительности Эйнштейна. Однако в научном сообществе существует определенный консенсус относительно того факта, что черные дыры обладают энтропией, поскольку в противном случае их существование нарушило бы второй закон термодинамики. В частности, Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг предположили, что энтропия — которую мы можем в основном рассматривать как меру внутреннего беспорядка физической системы — черной дыры пропорциональна ее площади, а не ее объему, как было бы более интуитивно понятно. . Это предположение также приводит к гипотезе «голографии» черных дыр, которая (очень грубо) предполагает, что то, что кажется трехмерным, на самом деле может быть изображением, спроецированным на далекий двухмерный космический горизонт точно так же, как голограмма, которая: Несмотря на то, что изображение является двухмерным, оно кажется нам трехмерным.
Поскольку мы не можем видеть за горизонтом событий (внешняя граница задней дыры), внутренние микросостояния, определяющие его энтропию, недоступны: так как же можно вычислить эту меру? Теоретический подход, принятый Хокингом и Бекенштейном, является полуклассическим (своего рода гибрид между классической физикой и квантовой механикой) и вводит возможность (или необходимость) принятия подхода квантовой гравитации в этих исследованиях, чтобы получить более фундаментальное понимание происходящего. физика черных дыр.Планковская длина — это (крошечное) измерение, в котором пространство-время перестает быть непрерывным, как мы его видим, и приобретает дискретную зернистость, состоящую из квантов, «атомов» пространства-времени. Вселенная в этом измерении описывается квантовой механикой.
Квантовая гравитация — это область исследований, которая исследует гравитацию в рамках квантовой механики: эта сила — явление, которое очень хорошо описано в классической физике, но неясно, как оно ведет себя в масштабах Планка.Даниэле Пранцетти и его коллеги в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, представляют важный результат, полученный путем применения формулировки второго квантования формализма петлевой квантовой гравитации (LQG).
LQG — это теоретический подход к проблеме квантовой гравитации, а теория поля групп — это «язык», с помощью которого теория применяется в этой работе.«Идея, лежащая в основе нашего исследования, состоит в том, что однородные классические геометрии возникают из конденсата квантов пространства, введенного в LQG для описания квантовых геометрий», — объясняет Пранцетти. «Таким образом, мы получили описание квантовых состояний черной дыры, пригодное для описания также физики« континуума », то есть физики пространства-времени, каким мы его знаем».Конденсаты, квантовые жидкости и Вселенная как голограмма«Конденсат» — это совокупность «атомов» — в данном случае космических квантов — все они обладают одинаковыми свойствами, так что, несмотря на то, что их огромное количество, мы, тем не менее, можем изучать их коллективное поведение, просто обращаясь к микроскопические свойства отдельной частицы.
Так что теперь аналогия с классической термодинамикой кажется более ясной: точно так же, как жидкости в нашем масштабе выглядят как сплошные материалы, несмотря на то, что они состоят из огромного числа атомов, точно так же и в квантовой гравитации основные составляющие атомы пространства образуют своего рода жидкость, то есть , непрерывное пространство-время. Непрерывная и однородная геометрия (как у сферически-симметричной черной дыры), как предполагают Пранцетти и его коллеги, может быть описана как конденсат, который облегчает лежащие в основе математические вычисления, учитывая априори бесконечное число степеней свободы.«Таким образом, мы смогли использовать более полную и богатую модель по сравнению с тем, что делалось в прошлом в LQG, и получить гораздо более реалистичный и надежный результат», — продолжает Пранцетти. «Это позволило нам разрешить несколько неоднозначностей, присущих предыдущим расчетам, благодаря сравнению этих упрощенных моделей LQG с результатами полуклассического анализа, проведенного Хокингом и Бекенштейном». Другой важный аспект исследования Пранцетти и его коллег заключается в том, что оно предлагает конкретный механизм в поддержку голографической гипотезы, согласно которому трехмерность черных дыр может быть просто очевидной: вся их информация может содержаться на двумерной поверхности без необходимость исследовать внутреннюю структуру (отсюда связь между энтропией и площадью поверхности, а не объемом).
Двумя другими авторами исследования являются Даниэле Орити из Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдаме, Германия, и Лоренцо Синдони, бывший научный сотрудник SISSA, ныне также работающий в Институте Макса Планка в Потсдаме.