Черные дыры проявляют свойства обычной квантовой материи

Ученые обнаружили, что переход черных дыр к состоянию теплового равновесия происходит аналогично квантовым системам без влияния гравитации. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

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 проблематично с точки зрения Общей теории 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 волнующих ученых вопросов — 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. А именно, возникновение равновесия можно объяснить с помощью того же механизма, что и в обычном случае.

Теоретические исследования черных дыр стали возможны благодаря быстроразвивающимся 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 о том, что поведение черных дыр и квантовую гравитацию в целом можно объяснить с точки зрения обычной квантовой механики.

Также опубликованная работа 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 доказательства этой гипотезы пока отсутствует.

Авторы статьи частично восполняют этот пробел. «Насколько нам известно, наша работа стала первым аналитическим доказательством гипотезы термализации собственного состояния в трансляционно-инвариантных системах, в то время как все предыдущие работы по данной тематике опирались на численный анализ. Мы считаем, что основные выводы и техника вычислений, развитая в рамках нашей работы, представляют большой интерес», — объясняет профессор Анатолий Дымарский из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.