Gdy badanie czarnych dziur uderza w czułe struny
Co mają ze sobą wspólnego teoria czarnych dziur i teoria strun? Okazuje się, że niemało. Po pierwsze, obie teorie są dość chaotyczne. „W teorii strun masywna kula splątanych strun może przejawiać bardzo skomplikowaną strukturę z ogromną liczbą kwantowych stanów mechanicznych. Jest to cecha, która ma wiele kuszących podobieństw do czarnych dziur, które są uważane za najbardziej chaotyczne systemy w przyrodzie”, mówi Vasilis Niarchos, fizyk z Uniwersytetu Kreteńskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W tym kontekście teoria strun daje nadzieję na rozwikłanie jednej z kluczowych zagadek współczesnej fizyki teoretycznej, a mianowicie kwantowo-mechanicznego, mikroskopowego pochodzenia odpowiedniej entropii czarnych dziur w grawitacji kwantowej. Jak tłumaczy Niarchos, ponieważ silnie wzbudzone stany strunowe są skomplikowanymi stanami kwantowymi o wysokiej entropii w kwantowej teorii grawitacji, stanowią one naturalny obszar dla tego typu dociekań. „Niezwykle interesujące jest zbadanie, w jaki sposób wysoko wzbudzone stany strun oddziałują ze sobą, jak pochłaniają i emitują promieniowanie, jak ich złożoność wpływa na ich dynamikę i, ogólnie rzecz biorąc, w jakim stopniu zachowują się jak czarne dziury”, wyjaśnia. Przy wsparciu finansowanego przez UE projektu BlackHoleChaos, Niarchos, wraz ze stypendystą programu działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Maurizio Firrotta, postanowił zgłębić chaotyczne interakcje strun.
Połączenie teorii strun z fizyką czarnych dziur
Aby połączyć teorię strun z fizyką czarnych dziur, zespół skupił swoją uwagę na procesach rozpraszania. Podczas tych procesów silnie wzbudzone stany strun odbijają się od siebie, emitując lub pochłaniając promieniowanie grawitacyjne lub elektromagnetyczne. „Wdrożyliśmy i rozwinęliśmy zestaw narzędzi matematycznych, które pozwoliły nam zbadać rozpraszanie wysoko wzbudzonych stanów strunowych w teorii słabo oddziałujących strun”, zauważa Niarchos. „Są to niezwykle złożone matematycznie procesy, których badanie do niedawna pozostawało w większości poza naszym zasięgiem”. W projekcie wprowadzono również nowatorską diagnostykę opartą na rozpraszaniu dla oddziaływań strunowych, która może kwantyfikować złożoność tej dynamiki.
Rzucić nowe światło na mikrofizykę czarnych dziur
W oparciu o te prace naukowcy nie tylko wyprowadzili precyzyjne wyrażenia matematyczne dotyczące skomplikowanych amplitud silnie wzbudzonych stanów strun, ale także zaproponowali konkretne miary chaosu w amplitudach rozpraszania strun. Ponadto opracowano nowe obliczenia prawdopodobieństwa absorpcji i szybkości emisji silnie wzbudzonych stanów strunowych. Obliczenia te pozwoliły ustalić, w jaki sposób wyłaniające się pojęcie temperatury powstaje z mikrostanów strun kwantowych, a także przybliżony wzór emisji ciała czarnego, który przypomina fizykę czarnych dziur. „Wyniki te przydadzą się w przyszłych badaniach mających na celu lepsze zrozumienie mikrofizyki czarnych dziur oraz złożonej lub chaotycznej dynamiki w kontekście grawitacji kwantowej”, zauważa Niarchos. „Liczymy, że zainspirują one również interdyscyplinarne zastosowania w innych obszarach fizyki, w których techniki rozpraszania są przydatne, na przykład w analizie fal grawitacyjnych w astrofizyce”.
Badanie innych paraleli w dziedzinie fizyki czarnych dziur
Chociaż projekt przyniósł konkretne wyniki dotyczące skomplikowanego zachowania statystycznego silnie wzbudzonych stanów strunowych, wciąż pozostaje wiele do zrobienia. „Chcielibyśmy wykorzystać wyniki i opracowane przez nas techniki do dokładniejszego zbadania, w jaki sposób wysoce masywne złożone obiekty oddziałują ze sobą w teorii strun i jakie inne podobieństwa istnieją z fizyką czarnych dziur, a także do opracowania nowego pomostu do fenomenologii fal grawitacyjnych”, podsumowuje Niarchos.