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Modelo que muestra el origen microscópico de la entropía en un agujero negro

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La superposición cuántica de dos microestados de un agujero negro equivale a un microestado diferente. Crédito: Aruna Balasubramanian

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La superposición cuántica de dos microestados de un agujero negro equivale a un microestado diferente. Crédito: Aruna Balasubramanian

Los agujeros negros son objetos astronómicos interesantes que tienen una gravedad tan fuerte que impiden que cualquier objeto, incluso la luz, escape. Si bien los agujeros negros han sido objeto de muchos estudios astrofísicos, sus orígenes y su física fundamental siguen siendo en gran medida un misterio.

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y del Centro Atómico de Bariloche presentaron recientemente un nuevo modelo de microestados de agujeros negros en relación con el origen de la entropía (es decir, el grado de desorden) en los agujeros negros.

Este modelo presentado en A. papel Publicado en Cartas de revisión físicaOfrece una visión alternativa sobre los agujeros negros que podría beneficiar la investigación astrofísica futura.

«La fórmula de entropía de Bekenstein-Hawking, que describe la termodinámica de los agujeros negros, fue descubierta en la década de 1970», dijo a Phys.org Vijay Balasubramanian, coautor del artículo. “Esta fórmula indica que los agujeros negros tienen una entropía proporcional al área de sus horizontes.

“Según la física estadística, desarrollada por Boltzmann y Gibbs a finales del siglo XIX, la entropía de un sistema está relacionada con el número de configuraciones microscópicas que tienen la misma descripción macroscópica.

«En un mundo de mecánica cuántica como el nuestro, la entropía surge de superposiciones cuánticas de 'estados microscópicos', es decir, componentes microscópicos que producen las mismas características observables a gran escala».

Los físicos llevan décadas intentando dar una explicación fiable de la entropía de los agujeros negros. En la década de 1990, Andrew Strominger y Cumron Vava aprovecharon una propiedad hipotética conocida como “supersimetría” para idear una forma de calcular los estados exactos de una clase especial de agujeros negros cuya masa es igual a la carga electromagnética, en universos extradimensionales. y múltiples tipos de agujeros negros. Campos eléctricos y magnéticos.

Para explicar el origen de la entropía de los agujeros negros en universos como el nuestro, Balasubramanian y sus colegas tuvieron que crear un nuevo marco teórico.

«A pesar de intentos anteriores, todavía no existe una explicación que se aplique a los tipos de agujeros negros que se forman como resultado del colapso estelar en nuestro universo», dijo Balasubramanian. «Nuestro objetivo era proporcionar esa cuenta».

La principal contribución de este trabajo reciente fue la introducción del nuevo modelo de microestados de agujeros negros, que pueden describirse en términos del colapso de las envolturas de polvo dentro de un agujero negro. Además, los investigadores han ideado una técnica para calcular las formas en que se superponen estos estados de precisión mecánica cuántica.

«La idea clave de nuestro trabajo es que geometrías espacio-temporales muy diferentes correspondientes a microestados aparentemente distintos pueden mezclarse entre sí debido a los efectos sutiles de los 'agujeros de gusano' de la mecánica cuántica que conectan regiones distantes del espacio», dijo Balasubramanian.

“Después de tener en cuenta los efectos de estos agujeros de gusano, nuestros resultados muestran que para cualquier universo que contenga gravedad y materia, la entropía de un agujero negro es directamente proporcional al área del horizonte de sucesos, como sugirieron Bekenstein y Hawking”.

El trabajo reciente de Balasubramanian y sus colegas ofrece una nueva forma de pensar sobre los estados pequeños en un agujero negro. Su modelo los describe específicamente como superposiciones cuánticas de objetos simples que están bien descritos por las teorías físicas clásicas de la materia y la geometría del espacio-tiempo.

«Esto es muy sorprendente, porque la comunidad esperaba que una explicación microscópica de la entropía en los agujeros negros requeriría el aparato completo de una teoría cuántica de la gravedad, como la teoría de cuerdas», dijo Balasubramanian.

“También hemos demostrado que los universos que difieren entre sí a nivel macroscópico, incluso cósmico, a veces pueden entenderse como una superposición cuántica de otros universos que son diferentes a nivel macroscópico. Esta es una manifestación de la mecánica cuántica a escala de. todo el universo, lo cual es sorprendente dado que normalmente “asociamos la mecánica cuántica con fenómenos a pequeña escala”.

El marco teórico recientemente presentado podría allanar el camino para otros trabajos teóricos destinados a explicar la termodinámica de los agujeros negros. Al mismo tiempo, los investigadores planean ampliar y enriquecer su descripción de los pequeños estados del agujero negro.

«Ahora estamos estudiando en qué medida y en qué condiciones un observador fuera del horizonte de sucesos puede determinar el estado exacto en el que se encuentra el agujero negro», añadió Balasubramanian.

más información:
Vijay Balasubramanian et al., El origen microscópico de la entropía de los agujeros negros astrofísicos, Cartas de revisión física (2024). doi: 10.1103/PhysRevLett.132.141501

Información de la revista:
Cartas de revisión física


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