Свежие результаты исследования, представленные в издании Physical Review Letters, открывают новые перспективы в изучении квантовых эффектов, связанных с термодинамикой и геометрией чёрных дыр. Группа учёных сконцентрировалась на расширении двух классических неравенств, интегрируя их в квантовую область, чтобы углубить понимание динамики чёрных дыр.
Традиционный подход, базирующийся на общей теории относительности Эйнштейна, обычно исключает квантовые феномены, как, например, излучение Хокинга. «Наш проект позволил установить универсальные границы, которые будут полезны для изучения квантовых эффектов в искривлённом пространстве-времени», — отметила доктор Фрассино, соавтор исследования.
Доктор Хеннигар подчеркнул: «Я долго изучаю влияние квантовых эффектов на чёрные дыры, и недавно меня очень увлекли гравитационные сингулярности и их потенциальная зависимость от квантовых эффектов». Доктор Педраса добавил: «Мои исследования последних 15 лет сосредоточены на чёрных дырах, и достижения в области голографии открыли новые возможности для изучения квантовых эффектов в физике чёрных дыр с большей детализацией и контролем».
Внутри стандартной чёрной дыры находится зона с бесконечной плотностью, называемая сингулярностью. Согласно принципу космической цензуры, эти сингулярности скрываются за горизонтом событий чёрной дыры. Однако в некоторых случаях классические физические законы не обеспечивают космическую цензуру, и учёные предполагают, что квантовые эффекты могут спрятать сингулярности за горизонтом событий.
Классическое неравенство Пенроуза связывает массу чёрной дыры с площадью её горизонта событий. Квантовая версия неравенства Пенроуза расширяет это понятие, предположительно соединяя энергию пространства-времени с общей энтропией чёрной дыры и квантовой материей. Связанное с ним обратное изопериметрическое неравенство соотносит объём внутри горизонта событий чёрной дыры с площадью её поверхности.
Учёные применили концепцию голографии мульти-бренного мира, известной как двойная голография, для исследования квантовых чёрных дыр. Они сосредоточились на чёрных дырах BTZ (Банадос-Тейтельбойм-Занелли), объектах в трёхмерном пространстве-времени, связанном с пространством AdS. Благодаря голографическому подходу удалось учитывать квантовые обратные реакции, то есть влияние квантовой материи на кривизну пространства-времени.
Учёные успешно адаптировали классические неравенства Пенроуза и обратное изопериметрическое неравенство для учёта квантовых эффектов. Их новая модель справедлива для всех известных чёрных дыр в трёхмерном пространстве AdS, даже при любом уровне квантового взаимодействия.
Наша работа определяет две границы, актуальные не только для энтропии чёрной дыры, но также для обобщённой энтропии, которая объединяет энтропию чёрной дыры и энтропию материи вне её пределов. Исследования показывают, что если эта комбинированная энтропия превыщет полную энергию пространства-времени, то может возникнуть голая сингулярность.
Объяснили исследователи
В касательно обратного изопериметрического неравенства учёные обнаружили, что чёрные дыры, нарушающие это неравенство (известные как суперэнтропийные), термодинамически нестабильны. Даже при учёте квантовых эффектов, термодинамическая стабильность чёрных дыр в основном зависит от их термодинамического объёма.
О влиянии своих находок на область квантовой информации исследователи заявили: «Оба наших результата — квантовое неравенство Пенроуза и квантовое изопериметрическое неравенство — интерпретируются как ограничения энтропии. Энтропия, по сути, является теоретико-информационным понятием, поэтому наше исследование предоставляет доказательства фундаментальных ограничений в квантовой теории информации при наличии гравитации. Эти идеи могут играть важную роль в области квантовой информации».
Источник: iXBT
