نموذج يوضح الأصل المجهري للإنتروبيا للثقب الأسود

الثقوب السوداء هي أجسام فلكية مثيرة للاهتمام ولها جاذبية قوية لدرجة أنها تمنع أي جسم وحتى الضوء من الهروب. في حين أن الثقوب السوداء كانت موضوعًا للعديد من دراسات الفيزياء الفلكية، إلا أن أصولها والفيزياء الأساسية تظل لغزًا إلى حد كبير.

قدم الباحثون في جامعة بنسلفانيا والمركز الذري في باريلوتشي مؤخرًا نموذجًا جديدًا لحالات الثقب الأسود الدقيقة فيما يتعلق بأصل الإنتروبيا (أي درجة الاضطراب) في الثقوب السوداء.

هذا النموذج المقدم في أ ورق نشرت في رسائل المراجعة البدنيةيقدم وجهة نظر بديلة حول الثقوب السوداء التي يمكن أن تفيد أبحاث الفيزياء الفلكية في المستقبل.

قال فيجاي بالاسوبرامانيان، المؤلف المشارك في الورقة البحثية، لموقع Phys.org: “تم اكتشاف صيغة بيكنشتاين-هوكينغ للإنتروبيا، التي تصف الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء، في السبعينيات”. “تشير هذه الصيغة إلى أن الثقوب السوداء لديها إنتروبيا تتناسب مع مساحة آفاقها.

“وفقًا للفيزياء الإحصائية، كما طورها بولتزمان وغيبس في أواخر القرن التاسع عشر، ترتبط إنتروبيا النظام بعدد التكوينات المجهرية التي لها نفس الوصف العياني.

“في عالم ميكانيكا الكم مثل عالمنا، تنشأ الإنتروبيا من التراكبات الكمومية لـ”الحالات المجهرية”، أي المكونات المجهرية التي تنتج نفس السمات التي يمكن ملاحظتها على نطاقات واسعة.”

لقد حاول الفيزيائيون تقديم تفسير موثوق به لإنتروبيا الثقب الأسود لعقود من الزمن. في التسعينيات، استفاد أندرو سترومينغر وكومرون فافا من خاصية افتراضية تُعرف باسم “التناظر الفائق” لابتكار طريقة لحساب الحالات الدقيقة لفئة خاصة من الثقوب السوداء التي تساوي كتلتها الشحنة الكهرومغناطيسية، في أكوان ذات أبعاد إضافية وأنواع متعددة من الثقوب السوداء. المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

لشرح أصل إنتروبيا الثقوب السوداء في أكوان مثل عالمنا، كان على بالاسوبرامانيان وزملائه إنشاء إطار نظري جديد.

وقال بالاسوبرامانيان: “على الرغم من المحاولات السابقة، لا يوجد حتى الآن تفسير ينطبق على أنواع الثقوب السوداء التي تتشكل نتيجة الانهيار النجمي في عالمنا”. “كان هدفنا تقديم مثل هذا الحساب.”

كانت المساهمة الأساسية لهذا العمل الأخير هي تقديم النموذج الجديد للدول الصغيرة في الثقب الأسود، والتي يمكن وصفها من حيث انهيار أغلفة الغبار داخل الثقب الأسود. بالإضافة إلى ذلك، ابتكر الباحثون تقنية لحساب طرق تراكب هذه الحالات الدقيقة ميكانيكيًا الكم.

وقال بالاسوبرامانيان: “إن الفكرة الرئيسية لعملنا هي أن هندسة الزمكان المختلفة جدًا والتي تتوافق مع حالات ميكروية متميزة ظاهريًا يمكن أن تمتزج مع بعضها البعض بسبب التأثيرات الدقيقة لـ “الثقوب الدودية” الميكانيكية الكمومية التي تربط مناطق بعيدة من الفضاء”.

“بعد حساب تأثيرات هذه الثقوب الدودية، أظهرت نتائجنا أنه بالنسبة لأي كون يحتوي على الجاذبية والمادة، فإن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب طرديًا مع مساحة أفق الحدث، كما اقترح بيكنشتاين وهوكينج.”

يقدم العمل الأخير الذي قام به بالاسوبرامانيان وزملاؤه طريقة جديدة للتفكير في الدول الصغيرة الموجودة في الثقب الأسود. ويصفها نموذجهم على وجه التحديد بأنها تراكبات كمومية لأشياء بسيطة تم وصفها جيدًا من خلال النظريات الفيزيائية الكلاسيكية للمادة وهندسة الزمكان.

وقال بالاسوبرامانيان: “هذا أمر مثير للدهشة للغاية، لأن المجتمع كان يتوقع أن التفسير المجهري للانتروبيا في الثقوب السوداء سيتطلب الجهاز الكامل لنظرية الكم للجاذبية، مثل نظرية الأوتار”.

“لقد أظهرنا أيضًا أن الأكوان التي تختلف عن بعضها البعض على المستوى العياني، وحتى الكوني، يمكن أحيانًا فهمها على أنها تراكب كمي لأكوان أخرى مختلفة على المستوى العياني. وهذا مظهر من مظاهر ميكانيكا الكم على نطاق الكون بأكمله، وهو أمر مثير للدهشة نظرًا لأننا عادةً ما نربط ميكانيكا الكم بظواهر صغيرة الحجم.”

يمكن للإطار النظري الذي تم تقديمه حديثًا أن يمهد الطريق لأعمال نظرية أخرى تهدف إلى شرح الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء. وفي الوقت نفسه، يخطط الباحثون لتوسيع وإثراء وصفهم للدول الصغيرة في الثقب الأسود.

وأضاف بالاسوبرامانيان: “نحن ندرس الآن إلى أي مدى وفي أي ظروف يمكن لمراقب خارج أفق الحدث تحديد الحالة الدقيقة التي يوجد بها الثقب الأسود”.