Квантовая суперпозиция двух микросостояний черной дыры эквивалентна другому микросостоянию.
Фото: Аруна Баласубраманян.

Исследователи из Пенсильванского университета и Атомного центра Барилоче представили новую модель микроскопического происхождения энтропии астрофизических черных дыр. Эта модель, опубликованная в статье Physical Review Letters, предлагает альтернативный взгляд на черные дыры.

Формула энтропии Бекенштейна-Хокинга, описывающая термодинамику черных дыр, была открыта в 1970-х годах. Она предполагает, что черные дыры имеют энтропию, пропорциональную площади их горизонтов. Согласно статистической физике, разработанной Больцманом и Гиббсом в конце XIX века, энтропия системы связана с количеством микроскопических конфигураций, имеющих одинаковое макроскопическое описание.

В квантово-механическом мире, подобном нашему, энтропия возникает из квантовых суперпозиций «микросостояний», то есть микроскопических составляющих, которые дают одни и те же наблюдаемые характеристики в больших масштабах.

Физики десятилетиями пытались дать достоверное объяснение энтропии черной дыры. В 1990-х годах Эндрю Стромингер и Камран Вафа использовали гипотетическое свойство «суперсимметрии», чтобы разработать метод подсчета микросостояний особого класса черных дыр, масса которых равна электромагнитному заряду, во вселенных с дополнительными измерениями и множеством видов электрических и магнитных полей.

Чтобы объяснить происхождение энтропии черных дыр во вселенных, подобных нашей, Баласубраманиану и его коллегам пришлось создать новую теоретическую основу. Учёными была представлена новая модель микросостояний черной дыры, которую можно описать с помощью коллапса пылевых оболочек внутри черной дыры. Кроме того, исследователи разработали метод квантовомеханического подсчета способов суперпозиции этих микросостояний.

Ключевая идея работы заключается в том, что очень разные геометрии пространства-времени, соответствующие явно различным микросостояниям, могут смешиваться друг с другом из-за тонких эффектов квантово-механических «червоточин», которые связывают отдаленные области пространства. Учёт эффекта червоточин показал, что для любой вселенной, содержащей гравитацию и материю, энтропия чёрной дыры прямо пропорциональна площади её горизонта событий, как предположили Бекенштейн и Хокинг.

Было показываем, что вселенные, которые отличаются друг от друга в макроскопических и даже космических масштабах, иногда можно понимать как квантовые суперпозиции других макроскопически различных вселенных. Это проявление квантовой механики в масштабах всей Вселенной.

Недавно представленная теоретическая основа может проложить путь для других теоретических работ, направленных на объяснение термодинамики черных дыр. Тем временем исследователи планируют расширить и обогатить свое описание микросостояний черной дыры.

«Сейчас мы изучаем, в какой степени и при каких обстоятельствах наблюдатель за горизонтом событий может определить, в каком микросостоянии находится черная дыра», — добавил Баласубраманян.