Учёные подтвердили квантовую природу чёрных дыр: энтропия остаётся положительной даже при экстремально низких температурах

Физики сделали важный шаг к пониманию квантовой природы гравитации. В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные показали, что чёрные дыры подчиняются третьему закону термодинамики: их энтропия остаётся неотрицательной и стремится к нулю при очень низких температурах — подобно тому, как ведут себя обычные квантовые системы. Этот результат укрепляет идею о том, что чёрные дыры имеют изолированное основное состояние, что является ключевой характеристикой квантовых объектов. Понимание такого поведения важно для одной из главных нерешённых задач физики — описания гравитации с точки зрения квантовой механики.

Почему это важно

Ранее расчёты энтропии чёрных дыр при низких температурах давали парадоксальный результат: теоретически энтропия могла становиться отрицательной. Это нарушало фундаментальные законы термодинамики и ставило под сомнение наше понимание квантовой гравитации. Группа исследователей — Стефано Антонини, профессор Лука Виктор Илиесю, Пратик Рат и Патрик Зуи Тран — использовала усовершенствованную модель двумерной гравитации Джекива–Тейтельбойма (JT gravity) и учла влияние квантовых «кротовых нор» — особых геометрических структур, соединяющих разные области пространства-времени.

Именно эти эффекты помогли устранить кажущееся противоречие. Проблема энтропии: "аннелированная" против "квэченной" В квантовых системах энтропия отражает количество возможных микроскопических состояний. Если у системы есть уникальное основное состояние, то при стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия должна исчезать. Однако в гравитационных теориях вычисления усложняются из-за необходимости усреднять по множеству возможных геометрий.

Существует два способа такого усреднения: аннелированная энтропия — сначала берутся средние значения, затем вычисляется энтропия; квэченная энтропия — энтропия вычисляется для каждой конфигурации отдельно, а затем усредняется. При высоких температурах оба метода дают совпадающие результаты, но при низких — расходятся. Квэченная энтропия остаётся физически осмысленной (приближается к нулю), тогда как аннелированная становится отрицательной, что невозможно.

Учёные вводят новое понятие

Так как точный расчёт квэченной энтропии слишком сложен, исследователи предложили промежуточную величину — полуквэченную (semiquenched) энтропию. Она: проще для вычисления, сохраняет ключевые свойства квэченной, остаётся положительной при низких температурах. Это позволяет утверждать, что чёрные дыры действительно обладают изолированным основным состоянием, а значит, ведут себя как обычные квантовые системы.

Роль "хвоста Эйри" и кротовых нор

Математически спектр энергий чёрной дыры подобен распределению собственных значений случайных матриц. Это позволяет применять методы теории случайных матриц, включая так называемую "кромку Эйри", для анализа поведения чёрных дыр при крайне низких температурах. Исследователи использовали два независимых подхода: Суммирование вкладов кротовых нор в гравитационном интеграле по путям.

Матрично-интегральные методы, показывающие, что доминирующий вклад дают конфигурации с одним собственным значением — «инстантоны». Оба подхода дали совпадающие результаты. Более того, аналитика показала, что один такой «инстантон» эквивалентен сумме бесконечного числа кротовых нор. Если учитывать лишь конечное их число — энтропия снова становится отрицательной. Это подчёркивает фундаментальную роль кротовых нор в квантовом описании чёрных дыр.

Что это значит для физики

Полученные результаты: подтверждают, что чёрные дыры имеют квантово-механические основополагающие состояния; усиливают идею о том, что энтропия чёрных дыр обусловлена микросостояниями, а не только геометрией; демонстрируют важность учёта кротовых нор для корректного описания квантовой гравитации; открывают путь к описанию чёрных дыр как хаотических квантовых систем. Коллектив уже расширил свою работу в новом препринте, распространив полученные результаты на более широкий класс чёрных дыр — включая те, в которых присутствуют возбуждения материи.

Что дальше?

Исследователи планируют изучить: как интерпретировать найденные «инстантоны» с точки зрения гравитации; можно ли перенести методы на чёрные дыры в более чем двух измерениях; окажется ли полуквэченная энтропия полезной в других областях — например, в квантовой информатике и физике конденсированного состояния. Работа приближает физиков к ответу на один из величайших вопросов современной науки: как устроена квантовая природа пространства, времени и гравитации?

• Северное сияние может быть видно в 10 штатах 27 ноября
• Европейский зонд впервые показал «магнитный двигатель» Солнца в действии
• Прорыв с суперкомпьютером раскрывает тайны океана Энцелада — ледяного спутника Сатурна
• Медленный ветер нейтронной звезды ставит под сомнение законы космической физики
• Под нашими ногами могут скрываться остатки доисторической прото-Земли
• Огромный «череп» в пустыне: астронавты заметили зловещее лицо в вулканическом кратере Сахары
• Не пропустите: пик метеорного потока Ориониды начнётся с ночи – наблюдение под безлунным небом
• Тёмная материя может оказаться не такой уж «тёмной»: учёные нашли её возможные цветовые следы