Wyjaśnienie entropii Bekensteina-Hawkinga supersymetrycznych czarnych dziur
Zbadanie czarnych dziur jest niewątpliwie największym wyzwaniem stojącym przed fizykami od początku XX wieku. Mechanika kwantowa i ogólna teoria względności – choć doskonale oddają sposób działania przyrody odpowiednio w najmniejszej i największej możliwej skali – wydają się niemożliwe do pogodzenia. Oczywiście, laikom problem może wydawać się abstrakcyjny, ale mieli oni okazję przekonać się o realności tego zjawiska 10 kwietnia 2019 roku dzięki pierwszemu w historii zdjęciu czarnej dziury – obiektu uosabiającego niezgodność tych dwóch teorii. Największe nadzieje, jeżeli chodzi o pogodzenie ogólnej teorii względności i fizyki kwantowej, pokładane są w teorii strun. Potencjał dualizmu pomiędzy teorią kwantową a grawitacją, jaki zakłada teoria strun, jest ogromny. Jednak prawda jest taka, że potrzeba jeszcze wiele pracy, zanim dwoistość cechowania/grawitacji będzie mogła dostarczyć dowodu, że teoria kwantowa i grawitacja są nie tyle sprzecznymi, co raczej równoważnymi opisami tej samej fizyki. „Szerokim celem mojego projektu było rozszerzenie aktualnego stanu wiedzy na temat dualizmu cechowania/grawitacji. Badałem jego niezwykłe fizyczne implikacje, jak również jego powiązania z różnymi gałęziami współczesnej matematyki”, wyjaśnia Dario Martelli, profesor fizyki teoretycznej w King’s College London. Prace prof. Martellego w ramach projektu Gauge/Gravity były poświęcone obu stronom dualizmu. Polegały one na rozwijaniu nowych metodologii – w tym geometrycznych podejść do badań nad teorią strun – jak również na rozwijaniu istniejących metod w supersymetrycznych kwantowych teoriach pola. „Zapoczątkowaliśmy nowatorską linię badań, w ramach której wykonywane są precyzyjne testy dualizmu cechowania/grawitacji. Wykorzystaliśmy konfiguracje, w których możliwe było uzyskanie doskonałej kontroli analitycznej po obu stronach tej korespondencji. Uzyskaliśmy kilka rozszerzeń dualizmu cechowania/grawitacji zgodnie z pierwotnymi założeniami badawczymi”, mówi prof. Martelli. Owocem projektu są między innymi dwa znaczące osiągnięcia. Pierwsze z nich dotyczy odkrycia „zasady ekstremizacji”, która kontroluje klasę geometrii istotnych dla teorii strun. Stanowi to dowód na to, że dualizm cechowania/grawitacji jest odpowiedni dla szerokiej klasy par podwójnych. Drugie dotyczy wyjaśnienia entropii Bekensteina-Hawkinga pewnych supersymetrycznych czarnych dziur – problemu z zakresu dualizmu cechowania/grawitacji, który od dawna czekał na rozwiązanie – w kategoriach obliczeń dualnej teorii pola. Podsumowując, wyniki te dostarczają przekonujących dowodów na to, że korespondencja cechowania/grawitacji jest kluczem do powiązania zasad ekstremizacji rządzących właściwościami statystycznymi supersymetrycznych czarnych dziur z zasadami charakteryzującymi superkonforemne teorie pola, jak również klasę problemów geometrycznych w geometrii riemannowskiej. „Czarne dziury pozostają jednym z najbardziej intrygujących obiektów w fizyce, a w ciągu ostatnich kilku lat mogliśmy zaobserwować ich spektakularną transformację – od konstruktów teoretycznych do konkretnych ciał niebieskich”, tłumaczy prof. Martelli. „To dla mnie doskonały moment, by skupić wysiłki naukowe na badaniu podstawowej natury czarnych dziur. W szczególności planuję badać czarne dziury, które wynikają z teorii strun. W tym celu zastosuję podejście oparte na dualizmie cechowania/grawitacji, które pozwala na powiązanie tych obiektów grawitacyjnych z konkretnymi układami teorii kwantowej. Cieszę się, że żyję w dobie wielkich odkryć naukowych!”.
Słowa kluczowe
Gauge/Gravity, czarne dziury, entropia, dualizm, grawitacja, ogólna teoria względności, teoria strun
