Modello che mostra l’origine microscopica dell’entropia in un buco nero

I buchi neri sono oggetti astronomici interessanti che hanno una gravità così forte da impedire a qualsiasi oggetto, anche alla luce, di fuoriuscire. Sebbene i buchi neri siano stati oggetto di numerosi studi astrofisici, le loro origini e la fisica fondamentale rimangono in gran parte un mistero.

I ricercatori dell’Università della Pennsylvania e del Bariloche Atomic Center hanno recentemente presentato un nuovo modello per i microstati dei buchi neri riguardo all’origine dell’entropia (cioè il grado di disordine) nei buchi neri.

Questo modello presentato in A carta Pubblicato in Lettere di revisione fisicaOffre una visione alternativa sui buchi neri che potrebbe apportare benefici alla futura ricerca astrofisica.

“La formula dell’entropia di Bekenstein-Hawking, che descrive la termodinamica dei buchi neri, è stata scoperta negli anni ’70”, ha detto a Phys.org Vijay Balasubramanian, coautore dell’articolo. “Questa formula indica che i buchi neri hanno un’entropia proporzionale all’area dei loro orizzonti.

“Secondo la fisica statistica, sviluppata da Boltzmann e Gibbs alla fine del XIX secolo, l’entropia di un sistema è legata al numero di configurazioni microscopiche che hanno la stessa descrizione macroscopica.

“In un mondo della meccanica quantistica come il nostro, l’entropia nasce da sovrapposizioni quantistiche di ‘stati microscopici’, cioè componenti microscopici che producono le stesse caratteristiche osservabili su larga scala”.

Da decenni i fisici cercano di fornire una spiegazione affidabile all’entropia del buco nero. Negli anni ’90, Andrew Strominger e Cumron Vava approfittarono di un’ipotetica proprietà nota come “supersimmetria” per ideare un modo per calcolare gli stati esatti di una classe speciale di buchi neri la cui massa è uguale alla carica elettromagnetica, in universi extra-dimensionali. e molteplici tipi di buchi neri. Campi elettrici e magnetici.

Per spiegare l’origine dell’entropia dei buchi neri negli universi come il nostro, Balasubramanian e i suoi colleghi hanno dovuto creare un nuovo quadro teorico.

“Nonostante i tentativi precedenti, non esiste ancora alcuna spiegazione che si applichi ai tipi di buchi neri che si formano a seguito del collasso stellare nel nostro universo”, ha detto Balasubramanian. “Il nostro obiettivo era fornire un account di questo tipo”.

Il contributo principale di questo recente lavoro è stata l’introduzione del nuovo modello dei microstati del buco nero, che può essere descritto in termini di collasso degli involucri di polvere all’interno di un buco nero. Inoltre, i ricercatori hanno ideato una tecnica per calcolare i modi in cui questi stati quantistici precisi si sovrappongono.

“L’idea chiave del nostro lavoro è che geometrie spazio-temporali molto diverse corrispondenti a microstati apparentemente distinti possono fondersi l’una nell’altra a causa degli effetti sottili dei ‘wormhole’ quantistici che collegano regioni distanti dello spazio”, ha detto Balasubramanian.

“Dopo aver tenuto conto degli effetti di questi wormhole, i nostri risultati mostrano che per qualsiasi universo contenente gravità e materia, l’entropia di un buco nero è direttamente proporzionale all’area dell’orizzonte degli eventi, come suggerito da Bekenstein e Hawking”.

Il recente lavoro di Balasubramanian e colleghi offre un nuovo modo di pensare ai piccoli stati in un buco nero. Il loro modello li descrive specificamente come sovrapposizioni quantistiche di oggetti semplici che sono ben descritti dalle teorie fisiche classiche della materia e dalla geometria dello spazio-tempo.

“Ciò è molto sorprendente, perché la comunità si aspettava che una spiegazione microscopica dell’entropia nei buchi neri richiedesse l’intero apparato di una teoria quantistica della gravità, come la teoria delle stringhe”, ha detto Balasubramanian.

“Abbiamo anche dimostrato che gli universi che differiscono tra loro a livello macroscopico, persino cosmico, possono talvolta essere intesi come una sovrapposizione quantistica di altri universi che sono diversi a livello macroscopico. Questa è una manifestazione della meccanica quantistica su scala l’intero universo, il che è sorprendente dato che di solito “Ciò a cui associamo la meccanica quantistica sono fenomeni su piccola scala”.

Il quadro teorico appena presentato potrebbe aprire la strada ad altri lavori teorici volti a spiegare la termodinamica dei buchi neri. Allo stesso tempo, i ricercatori intendono espandere e arricchire la loro descrizione dei piccoli stati nel buco nero.

“Stiamo ora studiando fino a che punto e in quali condizioni un osservatore al di fuori dell’orizzonte degli eventi può determinare l’esatto stato in cui esiste il buco nero”, ha aggiunto Balasubramanian.