Чёрные дыры

     Чёрные дыры остаются, в большей степени, таинственными и непонятными объектами. Однако, их поведение всё же подчиняется основным законам физики, в частности термодинамике. В результате, подобные физические системы обладают энтропией, хотя по-прежнему нет никакой договоренности о её квантовом представлении и способах её вычисления.

     Новые исследования в области квантовой теории поля (КТП) и петлевой квантовой гравитации (ПКГ) дали важные результаты в области термодинамики чёрных дыр. Расчёты согласуются с известным законом Бекенштейна/Хоккинга, который предполагает, что энтропия чёрной дыры пропорциональна четверти её поверхности. При этом удалось обойти многие упрощения и допущения предыдущих попыток применения теории ПКГ. Помимо всего прочего, исследование подтверждает голографический принцип, гипотезу, в которой трехмерный объект (чёрную дыру) можно математически свести к двухмерной проекции.

     В теории, ничто попавшее в чёрную дыру не может её покинуть. В 1916 году, на основе решения уравнений ОТО, появилось предположение о существовании гипотетических объектов, названных позже чёрными дырами. С тех пор несколько поколений физиков спорят уже не столько о их существовании, сколько о том, что их свойства не могут определяться на основе ОТО. Проблема в том, что черные дыры должны иметь энтропию, иначе нарушается второй закон термодинамики. Бекенштейн и Хоккинг рассчитали, что энтропия чёрной дыры (как мера внутреннего хаоса физической системы) пропорциональна её поверхности, а не объёму, как логично было бы предположить. Их теория дала жизнь «голографической» гипотезе чёрных дыр, которая (если сильно упростить) предполагает, что трехмерный объект лишь голограмма удаленного двухмерного космического горизонта. Примерно также, как обычная голограмма – это трехмерное представление двухмерного объекта.

     Поскольку мы не можем заглянуть за горизонт событий чёрной дыры, её внутреннее устройство и состояние, которые определяют энтропию системы, для нас недоступны. Тогда как мы можем вычислить нечто совершенно нам неизвестное? Теоретически, как было показано Хоккингом и Бекенштейном, есть решение, производное от классической физики и квантовой механики. Этот гибрид подразумевает существование квантовой гравитации. Если её и не существует, необходимо (но достаточно ли?) её ввести.

     Дальнейшее изучение чёрных дыр упирается в недостатки существующих теорий квантовой гравитации. Планковская длина – это мельчайшее измерение, когда пространство - время уже перестает быть непрерывным, таким как мы его видим. Пространство-время становится дискретным, состоящим из отдельных квантов, «атомов» пространства-времени. Вселенная в этом масштабе может быть описана только квантовой механикой.

     Квантовая гравитация (если она существует) – это аналог гравитации в классической физике, действующий на квантовом уровне. Неясно только как же она проявляется в Планковских масштабах Вселенной? Дэниел Панзетти и его коллеги представили новое и очень важное исследование в области квантовой гравитации. Результаты получены с помощью второй формулировки квантования ПКГ. ПКГ – это теоретический подход к теории квантовой гравитации, а КТП – язык с помощью которого излагаются результаты работы.

     Идея состоит в том, что кванты пространства-времени (из ПКГ) конденсируются в гомогенную классическую геометрию, что в свою очередь позволяет определить квантовую геометрию. Таким образом получено описание квантового состояния чёрной дыры, что стало мостиком между квантовой механикой и классической физикой.

     Конденсаты, квантовые жидкости и Вселенная как голограмма.

     Конденсаты – коллекция «атомов», квантов пространства-времени. Все они, несмотря на огромное разнообразие, обладают сходными свойствами. Мы можем легко изучать их коллективное поведение, просто рассматривая их как множество отдельных квантов с известными характеристиками. Таким образом аналогии с классической термодинамикой прослеживаются очень просто. Также, как привычные нам жидкости в реальности представляют собой бесчисленное количество отдельных атомов, так и в квантовой гравитации конденсаты квантов пространства-времени, образуют своего рода жидкость, которая и есть само непрерывное пространство-время.

     Непрерывная и гомогенная геометрически чёрная дыра, как предположили ученые, может быть сферически симметричной и описывается как конденсат, который упрощает математические вычисления, предполагая при этом бесконечное число степеней свободы системы. Помимо прочих, крайне важных следствий, новая модель дает конкретные механизмы подтверждающие голографическую гипотезу. Исчезает необходимость изучения черной дыры за горизонтом событий, поскольку вся необходимая информация об энтропии содержится в удаленном двухмерном объекте.