Наконец-то ученые поняли, как черные дыры "получают" свою энтропию. Физики пытались выяснить это с начала 70-х годов, после того как Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн рассчитали, сколько энтропии, (мера хаоса или неопределенности) должно быть заключено в черной дыре. Теперь, с помощью квантовой механики, исследователи, возможно, наконец-то решили эту проблему.
Ученые наконец-то поняли, как работает "формула черной дыры" Стивена Хокинга. Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн рассчитали энтропию черной дыры в 70-х годах прошлого века, но физикам потребовалось время, чтобы разобраться в квантовых эффектах, благодаря которым эта формула работает. An artist’s visualisation of a black hole. varuna/Shutterstock
"Долгое время люди думали, что для решения этой проблемы нужно делать какие-то необычные вещи из теории струн. Но мы показали, что существует набор состояний, для которых этого делать не нужно", - говорит Виджай Баласубраманиан из Пенсильванского университета. "Это чрезвычайно просто, что неожиданно".
Энтропия черной дыры зависит от того, сколько микроскопических состояний в ней помещается. Представьте себе одного из таких космических монстров как облако газа - чтобы рассчитать количество хаоса в газе, мы должны знать, сколько атомов или молекул он содержит.
Баласубраманиан и его коллеги создали модель микросостояний внутри черной дыры. Затем они вывели формулу для подсчета всех этих состояний, что в результате позволило им вычислить общую энтропию черной дыры. Например, количество состояний внутри черной дыры солнечной массы примерно составляет 27*10 в 75 степени. Для сравнения, в наблюдаемой нами Вселенной содержится около 10 в 80 степени атомов.
"Чтобы представить себе, как происходит подсчет микроскопических состояний, представьте каждое из них в виде теннисного мячика. Если заглянуть внутрь черной дыры, то между горизонтом событий и сингулярностью есть много места, много объема, и можно представить, что туда можно положить много теннисных мячей", - говорит Баласубраманиан. "Но на самом деле в итоге вы поместите туда гораздо больше теннисных мячей и пересчитаете энтропию".
Мультивселенная может быть намного, намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить
Это происходит потому, что черные дыры по своей сути являются квантовыми объектами. Чтобы теннисные мячики действительно представляли микроскопические состояния внутри черной дыры, они должны быть квантовыми - а квантовые состояния демонстрируют экзотическое поведение, которого нет у обычных. Они создают крошечные туннели в пространстве-времени и соединяются друг с другом через эти "квантовые червоточины", проще говоря, они накладываются друг на друга.
Поэтому некоторые квантовые состояния могут быть представлены как комбинации других состояний, что делает их излишними для описания энтропии черной дыры. Когда исследователи учли эти "квантовые" эффекты, они обнаружили внутри черных дыр множество состояний, которые соответствовали формуле Бекенштейна-Хокинга.
"Хотя описанный здесь набор микросостояний носит немного условный характер... тот же базовый механизм должен работать для произвольных микросостояний", - считает физик Дон Марольф из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. "Это... важный, уверенный шаг в правильном направлении".
Описание состояний внутри черной дыры имеет большое значение не только для расчета ее энтропии, но и для поиска решений космической загадки, называемой информационным парадоксом черных дыр, который утверждает, что, поскольку информация не может быть уничтожена, черная дыра должна каким-то образом сохранять данные о том, что в нее попало.
"Это доказывает существование некоего пространства состояний, достаточно большого для того, чтобы можно было хранить эту информацию", - говорит Баласубраманиан. "Остается вопрос, как считать эту информацию, когда черная дыра в конце концов испарится?" Данный вопрос относится к другому знаменитому уравнению Хокинга, но пока тоже остается без ответа.
