Czarne dziury pomagają w odkrywaniu tajemnic grawitacji kwantowej
Czarne dziury są obiektami astrofizycznymi powstałymi ze szczątków zapadniętych, bardzo masywnych gwiazd, charakteryzującymi się niezwykle silnym polem grawitacyjnym. Do ich opisu fizycy są zmuszeni posługiwać się zarówno ogólną teorią względności, jak i zasadami mechaniki kwantowej. „Podczas gdy każda z tych dziedzin została dobrze poznana na gruncie doświadczalnym i stanowi podstawę współczesnej fizyki, połączenie ich w jedną, spójną teorię grawitacji kwantowej okazało się bardzo trudne – przez ponad pół wieku stanowiło nie lada wyzwanie dla fizyków”, mówi Sameer Murthy, profesor fizyki teoretycznej i matematycznej na King's College London. Korzystając ze wsparcia finansowanego przez UE projektu QBH, Murthy prowadzi badania mające na celu znalezienie rozwiązania tego problemu.
Zrozumienie dyskretnej natury kwantowych czarnych dziur
Celem tego projektu, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), było wykorzystanie fenomenu czarnych dziur jako laboratorium teoretycznego do znalezienia odpowiedzi na dwa pytania badawcze. „Po pierwsze, chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób grawitacja kwantowa różni się od klasycznej ogólnej teorii względności w ujęciu ilościowym”, wyjaśnia Murthy. „Po drugie, chcieliśmy zbadać możliwość zbudowania analitycznie obliczalnych modeli mikroskopowej grawitacji kwantowej”. Kluczowym rezultatem tej pracy było stworzenie pierwszego prototypu kwantowej czarnej dziury, który pozwala uczonym uzyskać całkowity wymiar przestrzeni Hilberta w zmiennych grawitacyjnych. „Nasze badania pokazują, w jaki sposób dyskretna natura kwantowych czarnych dziur wyłania się z kolektywnych interakcji leżącego u ich podstaw systemu kwantowo-statystycznego”, dodaje Murthy. W ramach projektu udało się również opracować wyraźne, kontrolowane modele grawitacji kwantowej, które pomagają wyjaśnić powstawanie faz kolektywnych i ich przejścia.
Odpowiedzi na od dawna zadawane pytania
Zanim zakończyły się prace nad projektem, naukowcy osiągnęli dokładnie to, co zamierzali: potwierdzili, że możliwe jest uzyskanie doskonałej kontroli nad obliczeniami kwantowo-grawitacyjnymi w celu wyodrębnienia dyskretnych liczb całkowitych z teorii continuum. Dość nieoczekiwanie udało im się również wyjaśnić mikroskopową naturę entropii supersymetrycznych czarnych dziur w kategoriach dualności cechowania – problem, który według Murthy'ego nurtował specjalistów w tej dziedzinie przez ostatnie 15 lat. „Nasze odkrycia uruchomiły lawinę działań w tym obszarze, dzięki którym wyeliminowany został starszy problem, ukazując wyraźny obraz czarnych dziur jako stanów kwantowych z teorii Yanga-Millsa, a także pozwoliły przewidzieć nowe fazy w grawitacji kwantowej”, podkreśla uczony. Obecnie Murthy skupia się na konsolidacji wyników projektu QBH i analizuje je z szerszej perspektywy. „Wierzę, że suma osiągnięć tego projektu pozwoliła nieco przesunąć granice naszej dotychczasowej wiedzy w jednym z obszarów fizyki matematycznej”, dodaje. Teraz chciałby zrobić krok wstecz i zrozumieć, jaka jest prawdziwa natura tego odkrycia, gdy pominie się całą historię tego, jak do niego doszło. „To dobry czas na spokojną refleksję, a także na ekscytujące debaty z innymi badaczami”, podsumowuje.
Słowa kluczowe
QBH, fizyka, czarne dziury, grawitacja kwantowa, fizycy, ogólna teoria względności, mechanika kwantowa