Sebuah model yang menunjukkan asal mula entropi lubang hitam secara mikroskopis

Lubang hitam adalah objek astronomi menarik yang memiliki gravitasi begitu kuat sehingga menghalangi objek apa pun, bahkan cahaya, untuk keluar. Meskipun lubang hitam telah menjadi subjek banyak penelitian astrofisika, asal usul dan fisika fundamentalnya masih menjadi misteri.

Para peneliti di Universitas Pennsylvania dan Pusat Atom Bariloche baru-baru ini mempresentasikan model baru keadaan mikro lubang hitam mengenai asal usul entropi (yaitu, tingkat ketidakteraturan) dalam lubang hitam.

Model ini disajikan dalam A kertas Diterbitkan di Surat ulasan fisikIni menawarkan pandangan alternatif tentang lubang hitam yang dapat bermanfaat bagi penelitian astrofisika di masa depan.

“Rumus entropi Bekenstein-Hawking, yang menggambarkan termodinamika lubang hitam, ditemukan pada tahun 1970an,” kata Vijay Balasubramanian, salah satu penulis makalah tersebut, kepada Phys.org. “Rumus ini menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki entropi yang sebanding dengan luas cakrawalanya.

“Menurut fisika statistik, seperti yang dikembangkan oleh Boltzmann dan Gibbs pada akhir abad kesembilan belas, entropi suatu sistem berkaitan dengan jumlah konfigurasi mikroskopis yang memiliki deskripsi makroskopis yang sama.

“Dalam dunia mekanika kuantum seperti kita, entropi muncul dari superposisi kuantum ‘keadaan mikroskopis’, yaitu komponen mikroskopis yang menghasilkan fitur serupa yang dapat diamati pada skala besar.”

Fisikawan telah mencoba memberikan penjelasan yang dapat dipercaya mengenai entropi lubang hitam selama beberapa dekade. Pada tahun 1990-an, Andrew Strominger dan Cumron Vava memanfaatkan sifat hipotetis yang dikenal sebagai “supersimetri” untuk merancang cara menghitung keadaan pasti kelas lubang hitam khusus yang massanya sama dengan muatan elektromagnetik, di alam semesta ekstra-dimensi. dan berbagai jenis lubang hitam. Medan listrik dan magnet.

Untuk menjelaskan asal mula entropi lubang hitam di alam semesta seperti alam semesta kita, Balasubramanian dan rekan-rekannya harus menciptakan kerangka teori baru.

“Meskipun ada upaya sebelumnya, masih belum ada penjelasan yang berlaku untuk jenis lubang hitam yang terbentuk akibat keruntuhan bintang di alam semesta kita,” kata Balasubramanian. “Tujuan kami adalah menyediakan akun seperti itu.”

Kontribusi utama dari penelitian terbaru ini adalah pengenalan model baru keadaan mikro lubang hitam, yang dapat digambarkan dalam istilah runtuhnya selubung debu di dalam lubang hitam. Selain itu, para peneliti telah merancang teknik untuk menghitung cara superposisi keadaan presisi mekanika kuantum.

“Ide utama dari pekerjaan kami adalah bahwa geometri ruang-waktu yang sangat berbeda sesuai dengan keadaan mikro yang berbeda dapat menyatu satu sama lain karena efek halus dari 'lubang cacing' mekanika kuantum yang menghubungkan wilayah ruang yang jauh,” kata Balasubramanian.

“Setelah memperhitungkan dampak lubang cacing ini, hasil kami menunjukkan bahwa untuk alam semesta mana pun yang mengandung gravitasi dan materi, entropi lubang hitam berbanding lurus dengan luas cakrawala peristiwa, seperti yang disarankan Bekenstein dan Hawking.”

Karya terbaru Balasubramanian dan rekannya menawarkan cara berpikir baru tentang keadaan kecil di lubang hitam. Model mereka secara khusus menggambarkannya sebagai superposisi kuantum dari objek sederhana yang dijelaskan dengan baik oleh teori fisika klasik tentang materi dan geometri ruang-waktu.

“Ini sangat mengejutkan, karena masyarakat mengira bahwa penjelasan mikroskopis tentang entropi di lubang hitam akan memerlukan teori gravitasi kuantum yang lengkap, seperti teori string,” kata Balasubramanian.

“Kami juga telah menunjukkan bahwa alam semesta yang berbeda satu sama lain pada tingkat makroskopis, bahkan kosmik, terkadang dapat dipahami sebagai superposisi kuantum dari alam semesta lain yang berbeda pada tingkat makroskopis. Ini adalah manifestasi mekanika kuantum dalam skala seluruh alam semesta, yang mengejutkan mengingat bahwa kita biasanya “Apa yang kita kaitkan dengan mekanika kuantum adalah fenomena berskala kecil.”

Kerangka teori baru yang disajikan dapat membuka jalan bagi karya teoretis lain yang bertujuan menjelaskan termodinamika lubang hitam. Pada saat yang sama, para peneliti berencana untuk memperluas dan memperkaya deskripsi mereka tentang keadaan kecil di lubang hitam.

“Kami sekarang sedang mempelajari sejauh mana dan dalam kondisi apa pengamat di luar cakrawala peristiwa dapat menentukan keadaan pasti keberadaan lubang hitam tersebut,” tambah Balasubramanian.