Кванты черных дыр

Переход черных дыр к состоянию теплового равновесия происходит аналогично квантовым системам без влияния гравитации. К таким выводам пришли исследователи из Сколтеха, изучив тепловые эффекты в квантовых системах с дополнительными симметриями, сообщает пресс-служба Сколтеха. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

О том, почему черные дыры изучают в рамках квантовой механики, «Стимулу» рассказал руководитель группы исследователей профессор Анатолий Дымарский из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха: «Физическая система — это термин, который применяется для обозначения рассматриваемого предмета или объекта. Квантовая система — это физическая система, в поведении которой важную роль играют квантово-механические эффекты. С точки зрения данного определения черные дыры — это квантовые объекты, как было показано Стивеном Хокингом, который предсказал излучение черных дыр. В свою очередь, излучение черных дыр — квантовый эффект, то есть их нельзя описать в рамках классической физики».

Черные дыры играют особую роль в современной физике. Для описания этих астрофизических объектов нужно учесть не только эффекты квантовой механики, но и эффекты общей теории относительности Эйнштейна. Согласно квантовой механике, черные дыры должны вести себя аналогично другим квантовым системам. Тем не менее во многих случаях это не стыкуется с общей теорией относительности. Поэтому вопрос понимания квантовой механики черных дыр остается открытым и служит источником так называемого информационного парадокса. Понимание информационного парадокса должно помочь понять основные принципы квантовой гравитации.

Один из вопросов, волнующих ученых, — как черные дыры термализуются, то есть переходят в состояние термодинамического равновесия. В новой работе ученые из Сколтеха показали, что в рамках этого процесса черные дыры не отличаются от обычной квантовой материи: возникновение равновесия можно объяснить с помощью того же механизма, что и в обычном случае. Теоретические исследования черных дыр стали возможны благодаря быстро развивающимся теоретическим методам, например таким, как голографическая дуальность. Она позволяет описывать квантовую гравитацию в рамках динамики обычных квантовых систем. По мнению ученых, несмотря на то что дополнительные исследования еще необходимы, уже можно говорить, что поведение черных дыр и квантовую гравитацию в целом можно объяснить с точки зрения обычной квантовой механики.

Опубликованная работа также проливает свет на процесс термализации многочастичных квантовых систем с симметриями. Хорошо известно, что изолированные квантово-механические системы могут быть описаны в рамках равновесной статистической механики. Точное математическое утверждение, обеспечивающее такое описание, называется гипотезой термализации собственного состояния (Eigenstate Thermalization Hypothesis). Тем не менее доказательство этой гипотезы пока отсутствует. Авторы статьи частично восполняют этот пробел. «Насколько нам известно, наша работа является первым аналитическим доказательством гипотезы термализации собственного состояния в трансляционно-инвариантных системах, в то время как все предыдущие работы по этой тематике опирались на численный анализ. Мы считаем, что основные выводы и техника вычислений, развитая в рамках нашей работы, представляют большой интерес», — объясняет Анатолий Дымарский.