Crne rupe su intrigantni astronomski objekti koji imaju toliko snažno gravitaciono privlačenje da sprečava bilo koji objekat, pa čak i svetlost da pobegne. Dok su crne rupe bile tema brojnih astrofizičkih studija, njihovo poreklo i osnovna fizika ostaju uglavnom misterija.
Istraživači sa Univerziteta u Pensilvaniji i Centro Atomico Bariloche nedavno su predstavili novi model mikrostanja crne rupe u vezi sa poreklom entropije (tj. stepena poremećaja) u crnim rupama.
Ovaj model, predstavljen u radu objavljenom u Physical Review Letters, pruža alternativnu perspektivu na crne rupe koja bi mogla da pruži informaciju budućim istraživanjima astrofizike.
„Formula entropije Bekenštajn-Hoking, koja opisuje termodinamiku crnih rupa, otkrivena je 1970-ih,“ rekao je Vijai Balasubramanian, koautor rada, za Phis.org. „Ova formula sugeriše da crne rupe imaju entropiju proporcionalnu površini njihovih horizonata.
„Prema statističkoj fizici, koju su razvili Bolcman i Gibs krajem 19. veka, entropija sistema je povezana sa brojem mikroskopskih konfiguracija koje imaju isti makroskopski opis.
„U kvantnom mehaničkom svetu kao što je naš, entropija proizilazi iz kvantnih superpozicija ‘mikrostanja’, odnosno mikroskopskih sastojaka koji daju iste vidljive osobine na velikim razmerama.“
Fizičari su decenijama pokušavali da pruže verodostojan prikaz entropije crne rupe. Tokom 1990-ih, Andrev Strominger i Cumrun Vafa su iskoristili hipotetičko svojstvo poznato kao „supersimetrija“ da osmisle metodu za prebrojavanje mikrostanja posebne klase crnih rupa za koje je masa jednaka elektromagnetnom naboju, u svemirima sa dodatnim dimenzijama i više vrsta električna i magnetna polja.
Da bi objasnili poreklo entropije crnih rupa u univerzumima poput našeg, Balasubramanian i njegove kolege su morali da stvore novi teorijski okvir.
„Uprkos prethodnim pokušajima, do sada nije postojao nijedan izveštaj koji se odnosi na vrste crnih rupa koje nastaju usled kolapsa zvezda u našem svetu“, rekao je Balasubramanijan. „Naš cilj je bio da obezbedimo takav račun.
Primarni doprinos ovog nedavnog rada bio je uvođenje novog modela mikrostanja crne rupe, koji se može opisati u smislu kolapsa ljuski prašine unutar crne rupe. Pored toga, istraživači su osmislili tehniku da izbroje načine kvantnog mehaničkog superponiranja ovih mikrostanja.
„Ključni uvid našeg rada je da se veoma različite geometrije prostor-vremena koje odgovaraju naizgled različitim mikrostanjima mogu mešati jedna s drugom zbog suptilnih efekata kvantno mehaničkih ‘crvotočina’ koje povezuju udaljene regione svemira“, rekao je Balasubramanian.
„Nakon što smo uzeli u obzir efekte ovih crvotočina, naši rezultati su pokazali da je za svaki univerzum koji sadrži gravitaciju i materiju, entropija crne rupe direktno proporcionalna površini njenog horizonta događaja, kao što su Bekenštajn i Hoking predložili.
Nedavni rad Balasubramanijana i njegovih kolega uvodi novi način razmišljanja o mikrostanjima crne rupe. Njihov model ih posebno opisuje kao kvantne superpozicije jednostavnih objekata koji su dobro opisani klasičnim fizičkim teorijama materije i geometrije prostor-vremena.
„Ovo je veoma iznenađujuće, jer je zajednica očekivala da će mikroskopsko objašnjenje entropije crnih rupa zahtevati kompletan aparat kvantne teorije gravitacije, kao što je teorija struna“, rekao je Balasubramanijan.
„Takođe pokazujemo da se univerzumi koji se međusobno razlikuju na makroskopskim, pa i kosmičkim razmerama, ponekad mogu shvatiti kao kvantne superpozicije drugih, makroskopski različitih univerzuma. Ovo je manifestacija kvantne mehanike na skali čitavog univerzuma, što je iznenađujuće. s obzirom na to da mi obično povezujemo kvantnu mehaniku sa fenomenima malih razmera.“
Novouvedeni teorijski okvir mogao bi da otvori put za drugi teorijski rad koji ima za cilj objašnjenje termodinamike crnih rupa. U međuvremenu, istraživači planiraju da prošire i obogate svoj opis mikrostanja crnih rupa.
„Sada proučavamo u kojoj meri i u kojim okolnostima posmatrač van horizonta događaja može da utvrdi u kom se mikrostanju nalazi crna rupa“, dodao je Balasubramanijan.
