Ein neues theoretisches Modell könnte ein 50 Jahre altes Rätsel zur Entropie von Schwarzen Löchern lösen. Das von Physikern in den USA, Belgien und Argentinien entwickelte Modell nutzt das Konzept quantenmechanischer Wurmlöcher, um die Anzahl der Quantenmikrozustände innerhalb eines Schwarzen Lochs zu zählen. Die resultierenden Zählungen stimmen mit den Vorhersagen der sogenannten Bekenstein-Hawking-Entropieformel überein und könnten zu einem tieferen Verständnis dieser extremen astrophysikalischen Objekte führen.
Thermodynamik des Schwarzen Lochs
Schwarze Löcher haben ihren Namen erhalten, weil ihre starke Schwerkraft die Raumzeit so stark verzerrt, dass nicht einmal Licht nach ihrem Eintritt in sie entweichen kann. Dies macht es unmöglich, direkt zu beobachten, was in ihnen vorgeht. Dank der theoretischen Arbeit von Jacob Bekenstein und Stephen Hawking in den 1970er Jahren wissen wir jedoch, dass Schwarze Löcher Entropie haben, und die Menge an Entropie wird durch eine Formel angegeben, die ihren Namen trägt.
In der klassischen Thermodynamik entsteht Entropie aus mikroskopischem Chaos und Unordnung, und die Menge an Entropie in einem System hängt von der Anzahl der Mikrozustände ab, die mit einer makroskopischen Beschreibung dieses Systems übereinstimmen. Bei Quantenobjekten gilt auch eine Quantenüberlagerung von Mikrozuständen als Mikrozustand, und die Entropie hängt mit der Anzahl der Möglichkeiten zusammen, auf denen alle Quantenmikrozustände aus solchen Überlagerungen aufgebaut werden können.
Die Ursachen der Entropie Schwarzer Löcher sind eine offene Frage, und eine rein quantenmechanische Beschreibung ist den Wissenschaftlern bisher entgangen. Mitte der 1990er Jahre entwickelten Stringtheoretiker eine Methode zur Zählung der Quantenmikrozustände eines Schwarzen Lochs, die mit der Bekenstein-Hawking-Formel für bestimmte Schwarze Löcher übereinstimmt. Allerdings sind ihre Methoden nur auf eine spezielle Klasse supersymmetrischer Schwarzer Löcher mit fein abgestimmten Ladungen und Massen anwendbar. Die meisten Schwarzen Löcher, auch solche, die beim Kollaps von Sternen entstehen, sind nicht abgedeckt.
Hinter dem Horizont
In der neuen Arbeit entwickelten Forscher der University of Pennsylvania, der Brandeis University und des Santa Fe Institute, alle in den USA, zusammen mit Kollegen der belgischen Vrije Universiteit Brussel und des argentinischen Instituto Balseiro einen Ansatz, der es uns ermöglicht, einen Blick in das Innere eines Schwarzen Lochs zu werfen Innere. Einschreiben Physical Review Letters, Sie stellen fest, dass hinter dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs – der Grenzfläche, aus der kein Licht entweichen kann – eine unendliche Anzahl möglicher Mikrozustände existiert. Aufgrund von Quanteneffekten können sich diese Mikrozustände durch Tunnel in der Raumzeit, sogenannte Wurmlöcher, leicht überlappen. Diese Überlappungen ermöglichen es, die unendlichen Mikrozustände anhand einer endlichen Menge repräsentativer Quantenüberlagerungen zu beschreiben. Diese repräsentativen Quantenüberlagerungen können wiederum gezählt und mit der Bekenstein-Hawking-Entropie in Beziehung gesetzt werden.
Laut Vijay Balasubramanian, einem Physiker an der University of Pennsylvania, der die Forschung leitete, gilt der Ansatz des Teams für Schwarze Löcher jeder Masse, elektrischen Ladung und Rotationsgeschwindigkeit. Es könnte daher eine vollständige Erklärung des mikroskopischen Ursprungs der Thermodynamik Schwarzer Löcher liefern. Seiner Ansicht nach sind Mikrozustände von Schwarzen Löchern „paradigmatische Beispiele für komplexe Quantenzustände mit chaotischer Dynamik“, und die Ergebnisse des Teams könnten sogar Lehren dafür liefern, wie wir über solche Systeme im Allgemeinen denken. Eine mögliche Erweiterung wäre die Suche nach einer Möglichkeit, subtile Quanteneffekte zu nutzen, um Mikrozustände von Schwarzen Löchern von außerhalb des Horizonts zu erkennen.
Quantenkomplexität könnte ein Wurmloch-Paradoxon lösen
Juan Maldacena, ein Theoretiker am Institute for Advanced Study in Princeton, USA, der nicht an dieser Studie beteiligt war, nennt die Forschung eine interessante Perspektive auf Mikrozustände von Schwarzen Löchern. Er weist darauf hin, dass es auf der Berechnung statistischer Eigenschaften der Überlappung reiner Zustände von Schwarzen Löchern basiert, die durch verschiedene Prozesse hergestellt werden; Während man das innere Produkt zwischen diesen verschiedenen Zuständen nicht berechnen kann, ermöglicht die Gravitationstheorie durch Wurmlochbeiträge die Berechnung statistischer Eigenschaften ihrer Überlappung. Die Antwort, sagt er, sei statistischer Natur und im gleichen Sinne wie eine andere Berechnung der Entropie Schwarzer Löcher, die 1977 von Hawking und Gary Gibbons durchgeführt wurde, aber sie biete ein anschaulicheres Bild der möglichen Mikrozustände.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/
