V klasické teorii obecné relativity jsou černé díry relativně jednoduché objekty. Mohou být popsány pouze třemi vlastnostmi: hmotností, nábojem a rotací. Ale víme, že obecná teorie relativity je neúplná teorie. Kvantová mechanika je nejvíce patrná v chování malých objektů, ale hraje roli i u velkých objektů, jako jsou černé díry. K popisu černých děr na kvantové úrovni potřebujeme teorii kvantové gravitace. Ještě nemáme úplnou teorii, ale zatím víme, že kvantová mechanika dělá černé díry složitějšími a dává jim vlastnosti, jako je teplota a možná i tlak.
Teplota je možná nejznámější kvantová vlastnost černé díry. Kvůli neostrosti kvantových částic nemůže být energie zcela vázána horizontem událostí černé díry. Někdy může energie uniknout z gravitačního vězení procesem známým jako Hawkingovo záření. Množství energie, které unikne, je nepatrné, ale znamená to, že černé díry mají (velmi nízkou) teplotu. A to znamená, že černé díry lze popsat v termínech zákony termodynamiky. Pro regulární hmotu popisuje termodynamika nejen teplotu objektu, ale také vlastnosti, jako je tlak. To je místo, kde přichází tato nová studie.
Entropie černé díry souvisí s plochou horizontu událostí. Kredit: Jacob D. Bekenstein
Tým se zabýval termodynamickou vlastností známou jako entropie. Entropie je jemný koncept, často popisovaný jako míra neuspořádanosti systému nebo množství informací potřebných k popisu systému. Vztahuje se k teplotě objektu prostřednictvím druhého zákona termodynamiky. V černých dírách souvisí entropie s povrchem horizontu událostí. Fyzici studují entropii černých děr, protože by nám mohla pomoci odpovědět na základní otázky kvantové gravitace, například zda může černá díra zničit informace.
Tým tedy aplikoval rovnice entropie na jednoduchou černou díru a snažil se zjistit, co se stane, když Einsteinovy rovnice rozšíříte do kvantové teorie, což je běžný trik známý jako semiklasický přístup. Když to udělali, stále dostávali do svých rovnic zvláštní další členy, které nečekali. Tyto podmínky nedávaly smysl, dokud se na ně tým nepodíval z hlediska tlaku. Ukázalo se, že dodatečné podmínky působí jako tlak pro černou díru stejným způsobem, jakým tlak vytvářejí atomy plynu v nádobě. Jinými slovy, když aplikujete kvantovou teorii na černou díru, získáte jak teplotu, tak tlak.
Stejně jako u Hawkingovy teploty je tento kvantový tlak pro černou díru extrémně malý. Je příliš malý na to, aby ovlivnil druhy černých děr, které vidíme ve vesmíru. Ale skutečnost, že existuje, by mohla mít skutečné důsledky pro nejextrémnější oblasti vesmíru, jako je velký třesk. Tento konkrétní model je příliš jednoduchý na to, aby jej bylo možné aplikovat na skutečné systémy, ale je zajímavým vodítkem k úplnější teorii kvantové gravitace.
Odkaz:Xavier Calmet a kol. “ Kvantové gravitační korekce entropie a Schwarzschildova černá díra.'Fyzický přehled D104,6 (2021): 066012.
