Modèle montrant l’origine microscopique de l’entropie dans un trou noir

Les trous noirs sont des objets astronomiques intéressants qui ont une gravité si forte qu’ils empêchent tout objet, même léger, de s’échapper. Bien que les trous noirs aient fait l’objet de nombreuses études astrophysiques, leurs origines et leur physique fondamentale restent en grande partie un mystère.

Des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie et du Bariloche Atomic Center ont récemment présenté un nouveau modèle de microétats de trous noirs concernant l’origine de l’entropie (c’est-à-dire le degré de désordre) dans les trous noirs.

Ce modèle présenté en A papier Publié dans Lettres d’examen physiqueIl offre une vision alternative des trous noirs qui pourrait bénéficier aux futures recherches astrophysiques.

« La formule d’entropie de Bekenstein-Hawking, qui décrit la thermodynamique des trous noirs, a été découverte dans les années 1970 », a déclaré Vijay Balasubramanian, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Cette formule indique que les trous noirs ont une entropie proportionnelle à la superficie de leurs horizons.

« Selon la physique statistique, telle que développée par Boltzmann et Gibbs à la fin du XIXe siècle, l’entropie d’un système est liée au nombre de configurations microscopiques ayant la même description macroscopique.

« Dans un monde de mécanique quantique comme le nôtre, l’entropie résulte de superpositions quantiques d' »états microscopiques », c’est-à-dire de composants microscopiques qui produisent les mêmes caractéristiques observables à grande échelle. »

Les physiciens tentent depuis des décennies de fournir une explication fiable de l’entropie des trous noirs. Dans les années 1990, Andrew Strominger et Cumron Vava ont profité d’une propriété hypothétique connue sous le nom de « supersymétrie » pour concevoir un moyen de calculer les états exacts d’une classe spéciale de trous noirs dont la masse est égale à la charge électromagnétique, dans des univers extra-dimensionnels. et plusieurs types de trous noirs. Champs électriques et magnétiques.

Pour expliquer l’origine de l’entropie des trous noirs dans des univers comme le nôtre, Balasubramanian et ses collègues ont dû créer un nouveau cadre théorique.

« Malgré les tentatives précédentes, il n’existe toujours aucune explication applicable aux types de trous noirs qui se forment à la suite de l’effondrement d’étoiles dans notre univers », a déclaré Balasubramanian. « Notre objectif était de fournir un tel récit. »

La principale contribution de ces travaux récents a été l’introduction du nouveau modèle de microétats de trous noirs, qui peut être décrit en termes d’effondrement des enveloppes de poussière à l’intérieur d’un trou noir. En outre, les chercheurs ont mis au point une technique permettant de calculer la manière dont ces états précis de mécanique quantique se superposent.

« L’idée clé de notre travail est que des géométries spatio-temporelles très différentes correspondant à des microétats apparemment distincts peuvent se fondre les unes dans les autres en raison des effets subtils des « trous de ver » de la mécanique quantique reliant des régions distantes de l’espace », a déclaré Balasubramanian.

« Après avoir pris en compte les effets de ces trous de ver, nos résultats montrent que pour tout univers contenant de la gravité et de la matière, l’entropie d’un trou noir est directement proportionnelle à la superficie de l’horizon des événements, comme l’ont suggéré Bekenstein et Hawking. »

Les travaux récents de Balasubramanian et de ses collègues proposent une nouvelle façon de penser les petits États dans un trou noir. Leur modèle les décrit spécifiquement comme des superpositions quantiques d’objets simples bien décrites par les théories physiques classiques de la matière et la géométrie de l’espace-temps.

« C’est très surprenant, car la communauté s’attendait à ce qu’une explication microscopique de l’entropie dans les trous noirs nécessiterait tout l’appareil d’une théorie quantique de la gravité, telle que la théorie des cordes », a déclaré Balasubramanian.

«Nous avons également montré que des univers différents les uns des autres au niveau macroscopique, voire cosmique, peuvent parfois être compris comme une superposition quantique d’autres univers différents au niveau macroscopique. C’est une manifestation de la mécanique quantique à l’échelle de. l’univers entier, ce qui est surprenant étant donné que nous « associons généralement la mécanique quantique à des phénomènes à petite échelle ».

Le cadre théorique nouvellement présenté pourrait ouvrir la voie à d’autres travaux théoriques visant à expliquer la thermodynamique des trous noirs. Dans le même temps, les chercheurs envisagent d’élargir et d’enrichir leur description des petits états dans le trou noir.

« Nous étudions maintenant dans quelle mesure et dans quelles conditions un observateur extérieur à l’horizon des événements peut déterminer l’état exact dans lequel existe le trou noir », a ajouté Balasubramanian.