Ученые из Сколтеха во главе с профессором Анатолием Дымарским провели исследование тепловых явлений в квантовых системах, обладающих дополнительными симметриями.
Согласно новым данным, ученые установили, что процесс достижения черными дырами состояния теплового равновесия имеет сходство с поведением квантовых систем, при этом гравитационное воздействие не играет существенной роли. О результатах исследования сообщается в научном журнале Physical Review Letters.
В современной физике черные дыры занимают важное место. Для изучения этих астрофизических объектов необходимо принимать во внимание не только эффекты квантовой механики, но и эффекты Общей теории относительности Эйнштейна.
Квантовая механика предполагает, что черные дыры ведут себя как другие квантовые системы. Однако, это часто вызывает трудности при рассмотрении в рамках Общей теории относительности. Таким образом, вопрос о квантовомеханическом описании черных дыр остается нерешенным и является причиной так называемого информационного парадокса. Разрешение информационного парадокса может пролить свет на фундаментальные принципы квантовой гравитации.
Одним из актуальных вопросов для исследователей является процесс термализации черных дыр, то есть их переход в состояние термодинамического равновесия. В рамках недавнего исследования ученые из Сколтеха продемонстрировали, что в ходе этого процесса черные дыры проявляют свойства, схожие с характеристиками обычной квантовой материи. По мнению авторов, достижение равновесия может быть объяснено тем же механизмом, что и в стандартных случаях.
Благодаря прогрессу в теоретических методах, таких как голографическая дуальность, появились возможности для теоретического изучения черных дыр. Этот подход позволяет описывать квантовую гравитацию через динамику обычных квантовых систем. Ученые полагают, что, несмотря на необходимость дальнейших исследований, уже сейчас можно утверждать, что поведение черных дыр и квантовая гравитация в целом могут быть объяснены с использованием принципов квантовой механики.
Новая работа также освещает процесс термализации многочастичных квантовых систем, обладающих симметриями. Известно, что изолированные квантовые системы могут быть описаны с использованием равновесной статистической механики. Гипотеза термализации собственного состояния (Eigenstate Thermalization Hypothesis) представляет собой строгое математическое определение, позволяющее провести такое описание. Однако, на текущий момент, доказательства этой гипотезы отсутствуют.
Авторы статьи вносят вклад в устранение этого недостатка. «Насколько нам известно, наша работа представляет собой первое аналитическое подтверждение гипотезы термализации собственного состояния в трансляционно-инвариантных системах, в отличие от предыдущих исследований, которые основывались на численных методах. Мы полагаем, что основные выводы и разработанная методика расчетов представляют значительную ценность», — отмечает профессор Анатолий Дымарский, сотрудник Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.