Niedawne badania podkreślają dynamiczną naturę czarnych dziur i rozszerzają podobne właściwości termodynamiczne na obiekty niezwykle kompaktowe, pogłębiając naszą wiedzę o ich zachowaniu w scenariuszach grawitacji kwantowej.
Artykuł zatytułowany „Uniwersalność termodynamiki promieniowania kwantowo-mechanicznego czarna dziura odejście od termiczności”, opublikowano w Litery fizyki B podkreśla znaczenie traktowania czarnych dziur jako układów dynamicznych, w których zmiany w ich geometrii podczas emisji promieniowania mają kluczowe znaczenie dla dokładnego opisu ich zachowania termodynamicznego.
Łączenie czarnych dziur i niezwykle kompaktowych obiektów
Badanie sugeruje również, że niezwykle kompaktowe obiekty (ECO) mają te same właściwości termodynamiczne co czarne dziury, niezależnie od ich statusu w horyzoncie zdarzeń. Znaczenie tych badań polega na ich wkładzie w trwające wysiłki mające na celu rozwiązanie paradoksu informacji o czarnych dziurach, zapewniając bardziej szczegółowe zrozumienie termodynamiki czarnych dziur w kontekście grawitacji kwantowej.
Spostrzeżenia z fizyki kwantowej i teorii względności
Badania przeprowadzone przez dr Christiana Cordę, profesora wizytującego SUNY Poly na Wydziale Matematyki i Fizyki oraz dr Carlo Cafaro (adiunkta SUNY Poly na Wydziale Matematyki i Fizyki oraz profesora nadzwyczajnego na Wydziale Nauki i Inżynierii w Nanoskali) na Uniwersytecie w Albany), wykorzystuje elementy fizyki kwantowej, mechaniki statystycznej i ogólnej teorii względności.
Jednym z najważniejszych problemów współczesnej fizyki teoretycznej jest zrozumienie, czym jest czarna dziura (BH). Uważa się, że klasyczna ogólna teoria względności implikuje, że BH to obiekt posiadający horyzont, tj. powierzchnię graniczną, poza którą żadne zdarzenie nie może oddziaływać na obserwatora zewnętrznego, oraz osobliwość w jej rdzeniu, tj. punkt, w którym obecność nieskończoności implikuje, że prawa fizyki zawodzą.
Z drugiej strony, najnowsze podejścia, zarówno klasyczne, jak i kwantowe, pokazały, że to, co nazywamy BH, może być obiektem bez horyzontów i osobliwości. Obiekty tego typu nazywane są także Obiektami Ekstremalnie Kompaktowymi (ECO), aby odróżnić je od „tradycyjnej” koncepcji BH.
Jeśli z jednej strony podejście to rozwiązuje pewne ważne problemy, takie jak usunięcie osobliwości i w konsekwencji przywrócenie praw fizycznych, z drugiej stwarza kolejne: Co zrobić z całą termodynamiką BH, opracowaną w ciągu ostatnich 50 i więcej lat, zaczynając od pionierskich i słynnych dzieł śp. Bekensteina i Hawkinga, a na podstawie ogromnej liczby prac naukowych?
Uniwersalność termodynamiki czarnych dziur
W 2023 roku Samir Mathur i Madhur Mehta udzielili ważnej odpowiedzi na to pytanie, zdobywając trzecią nagrodę w konkursie na esej Gravity Research Foundation za udowodnienie uniwersalności termodynamiki BH.
W szczególności wykazali, że każdy ECO musi mieć te same właściwości termodynamiczne BH, niezależnie od tego, czy ECO posiada horyzont zdarzeń.
Wynik jest niezwykły, ale uzyskano go w przybliżeniu, zgodnie z którym widmo emisyjne BH ma charakter dokładnie termiczny. W rzeczywistości mocne argumenty oparte na zachowaniu energii i reakcji zwrotnej BH sugerują, że widmo promieniowania Hawkinga nie może być dokładnie termiczne.
W swojej pracy dr. Corda i Cafaro rozszerzyli wyniki Mathura i Mehty na przypadek, w którym widmo promieniowania nie jest dokładnie termiczne, korzystając z koncepcji stanu dynamicznego BH.
Stany dynamiczne czarnej dziury i efektywne temperatury
Stan dynamiczny BH uzyskuje się poprzez wprowadzenie temperatury efektywnej. Jest to analogiczne do kilku innych dziedzin nauki, w których odchylenie od widma termicznego ciała emitującego jest zwykle rozważane poprzez wprowadzenie temperatury efektywnej, która reprezentuje temperaturę ciała doskonale czarnego emitującego dokładnie tę samą ilość promieniowania co ciało nie- źródło termiczne.
W przypadku BH wprowadzenie temperatury efektywnej pozwala na wprowadzenie innych wielkości efektywnych, które charakteryzują jego „stan dynamiczny”, czyli stan BH „podczas” przejścia kwantowego, w którym energia jest emitowana lub pochłaniana. Dlatego też niniejszy artykuł uogólnia i uzupełnia pracę Mathura i Mehty.
Odniesienie: „Uniwersalność termodynamiki kwantowo-mechanicznie promieniującej czarnej dziury odchodzącej od termiczności”, Christian Corda i Carlo Cafaro, 8 sierpnia 2024 r., Litery fizyki B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138948
