Memperluas ketidaksetaraan lubang hitam klasik ke dunia kuantum

KE studi baru-baru ini di dalam Surat pemeriksaan fisik mengeksplorasi efek kuantum dalam termodinamika dan geometri lubang hitam, dengan fokus pada perluasan dua ketidaksetaraan klasik ke rezim kuantum.

Lubang hitam telah dipelajari secara ekstensif menggunakan pendekatan klasik berdasarkan teori relativitas umum Einstein. Namun pendekatan ini tidak memperhitungkan efek kuantum seperti radiasi Hawking.

Tujuan dari penelitian ini adalah agar para peneliti menyempurnakan teori klasik dengan memasukkan efek kuantum, sehingga menawarkan pemahaman yang lebih baik tentang dinamika lubang hitam.

Tim peneliti termasuk Dr. Antonia M. Frassino, Marie Curie Fellow di SISSA (Italia), Dr. Robie Hennigar, Asisten Profesor dan Willmore Fellow di Durham University (Inggris), Dr. Juan F. Pedraza, Asisten Profesor di Institut Fisika Teoritis UAM/CSIC (Spanyol), dan Dr. Andrew Svesko, peneliti asosiasi di King’s College London (Inggris).

Phys.org berbicara dengan para peneliti tentang pekerjaan mereka dengan ketidaksetaraan kuantum untuk mempelajari dinamika lubang hitam.

Motivasi penelitian mereka diungkapkan oleh Dr. Frassino, yang mengatakan: “Ketertarikan saya pada termodinamika lubang hitam sudah ada sejak saya mendapatkan gelar PhD. Proyek ini membantu kami menetapkan batasan universal untuk memandu studi efek kuantum dalam ruang-waktu yang melengkung.

Dr Hennigar berkata: “Saya telah lama meneliti pengaruh efek kuantum pada lubang hitam dan baru-baru ini menjadi tertarik pada singularitas gravitasi dan bagaimana efek kuantum dapat berperan di dalamnya.”

Dr Pedraza berkomentar: “Penelitian saya selama 15 tahun terakhir berfokus pada lubang hitam, dan kemajuan terbaru dalam holografi telah memungkinkan kita mempelajari efek kuantum pada fisika lubang hitam dengan cara yang lebih terkontrol dan rinci.”

Dr Svesko mengatakan: “Untuk sebagian besar karir saya, saya telah tertarik pada efek kuantum dalam lubang hitam sebagai jendela ke dalam gravitasi kuantumdan saya akhirnya menemukan tim dan pendekatan untuk mengatasi masalah ini.”

Dugaan Sensor Kosmik

Di dalam lubang hitam pada umumnya terdapat wilayah dengan kepadatan tak terhingga yang dikenal sebagai singularitas. Dalam singularitas, pemecahan mekanika kuantum dan gravitasi menantang pemahaman kita tentang hukum fisika.

Menurut dugaan sensor kosmik, singularitas bersembunyi di balik cakrawala peristiwa lubang hitam. Cakrawala peristiwa menandai batas di mana cahaya pun tidak dapat lepas dari tarikan gravitasi lubang hitam yang kuat.

Dugaan tersebut membantu menjaga prediktabilitas fisika di alam semesta dengan memastikan bahwa singularitas telanjang tidak terlihat dan tidak membuat fisika runtuh.

Dalam kasus tertentu, fisika klasik gagal menerapkan sensor kosmik. Misalnya, dalam skenario tiga dimensi (dua dimensi spasial dan satu dimensi temporal), singularitas berbentuk kerucut dapat terjadi.

Dalam kasus seperti itu, para ilmuwan berhipotesis bahwa efek kuantum akan menutupi singularitas dan menciptakan cakrawala peristiwa. Hal ini membawa kita pada ketidaksetaraan Penrose, yang memberikan kerangka untuk memahami hubungan antara cakrawala lubang hitam dan massa ruang-waktu.

Pertidaksamaan Penrose dan isoperimetri terbalik

“Secara umum, ketidaksetaraan Penrose memberikan batas bawah pada massa yang terkandung dalam ruang-waktu dalam kaitannya dengan luas cakrawala lubang hitam yang terdapat dalam ruang-waktu tersebut,” jelas para peneliti.

Dengan kata lain, pertidaksamaan Penrose klasik memberikan hubungan antara massa lubang hitam dan luas permukaan cakrawala peristiwa, sehingga memberikan batasan atau batasan pada massa minimum yang dapat dimiliki lubang hitam.

Gagasan tentang ketidaksetaraan kuantum Penrose memperluas konsep ini, berpotensi menghubungkan energi ruangwaktu dengan total lubang hitam dan entropi materi kuantum. Upaya telah dilakukan untuk memperluas ketidaksetaraan ini ke rezim kuantum dalam dimensi 4 dan lebih tinggi, namun hal ini masih terbatas secara komputasi.

Ketimpangan terkait, yang dikenal sebagai ketimpangan isoperimetri terbalik, memberikan hubungan antara volume yang dicakup oleh cakrawala peristiwa lubang hitam dan luas permukaannya. Seperti ketidaksetaraan Penrose, para peneliti bertujuan untuk memperluas konsep ini ke tingkat yang lebih luas rezim kuantum.

Upaya sebelumnya mempunyai masalah ketika diterapkan pada kasus tiga dimensi dan hanya berhasil dengan gangguan kecil. Keterbatasan penting lainnya adalah penanganan reaksi kuantum terbalik kuat.

Reaksi balik mengacu pada pengaruh materi dan energi terhadap kelengkungan ruang-waktu (struktur alam semesta), seperti yang dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein. Secara sederhana, ini adalah putaran umpan balik antara materi, energi, dan geometri ruang-waktu.

Holografi Braneworld

Para peneliti menggunakan kerangka kerja untuk mempelajari lubang hitam kuantum, menggunakan holografi braneworld, yang juga dikenal sebagai holografi ganda.

Holografi Braneworld memanfaatkan prinsip holografik untuk mendapatkan solusi tepat terhadap persamaan gravitasi semiklasik, termasuk reaksi balik pada semua orde. Formalisme ini adalah satu-satunya cara yang diketahui untuk mengatasi masalah ini pada semua orde dalam tiga atau, dalam prinsipnya, dimensi yang lebih tinggi,” jelas para peneliti.

Para peneliti menggunakan korespondensi AdS/CFT sebagai dasar untuk mempelajari efek kuantum atau koreksi di ruang AdS. AdS (Ruang Anti-de Sitter) adalah ruangwaktu yang memiliki kelengkungan negatif (hiperbolik) dan sangat berguna ketika mempelajari teori gravitasi yang terkait dengan lubang hitam. CFT (conformal field theory) adalah jenis teori medan kuantum yang menggambarkan perilaku partikel fundamental tetapi tanpa pengaruh gravitasi.

Korespondensi AdS/CFT menunjukkan dualitas antara studi gravitasi di ruang AdS dan perilaku partikel fundamental di dimensi yang lebih rendah. Intinya, kita dapat mempelajari gravitasi dengan memeriksa medan kuantum di ruang berdimensi lebih rendah dan sebaliknya.

Selain itu, ruang AdS memungkinkan penanganan lubang hitam dan singularitas batas yang terdefinisi dengan baik.

Mereka secara khusus berfokus pada lubang hitam BTZ (Banados-Teitelboim-Zanelli), yaitu lubang hitam dalam ruangwaktu tiga dimensi yang terkait dengan ruang AdS. Lubang hitam BTZ adalah model yang berguna untuk mempelajari koreksi kuantum dan efek reaksi balik karena kesederhanaannya dan perilakunya yang dipahami dengan baik dalam kerangka holografik.

Pendekatan holografik membantu mereka menjelaskan reaksi balik kuantum, yang merupakan efek umpan balik materi kuantum pada kelengkungan ruang-waktu.

Atasi kesenjangannya

Para peneliti berhasil memperluas ketidaksetaraan Penrose klasik dan isoperimetri terbalik untuk memperhitungkan efek kuantum. Versi yang mereka usulkan berlaku untuk semua lubang hitam yang diketahui di ruang AdS tiga dimensi, bahkan dengan orde reaksi kuantum apa pun.

Ketimpangan kuantum Penrose menunjukkan suatu bentuk sensor kosmik kuantum.

“Pekerjaan kami memberikan dua batasan yang berlaku tidak hanya pada entropi lubang hitam tetapi juga pada entropi umum: kombinasi entropi lubang hitam dan entropi bidang materi di luarnya.

“Penelitian ini menunjukkan bahwa jika entropi lubang hitam ditambah materi melebihi total energi ruang-waktu, maka singularitas telanjang akan terbentuk,” jelas para peneliti.

Para peneliti mengeksplorasi efek reduksi dimensi terhadap ketidaksetaraan, dan menunjukkan bahwa ketidaksetaraan tipe Penrose dapat diturunkan untuk lubang hitam dilatonik dua dimensi. Namun, mereka mencatat adanya kesulitan dalam menemukan solusi tepat terhadap lubang hitam dunia bran di dimensi yang lebih tinggi.

Untuk ketimpangan isoperimetri terbalik, para peneliti menemukan bahwa lubang hitam yang melanggar ketimpangan ini (dikenal sebagai lubang hitam superentropik) tidak stabil secara termodinamika. Bahkan ketika efek kuantum ikut bermain, stabilitas lubang hitam masih sangat bergantung pada volume termodinamika.

Berbicara tentang dampak pekerjaan mereka di bidang informasi kuantum, para peneliti mengatakan: “Kedua hasil (ketidaksetaraan kuantum Penrose dan ketidaksetaraan isoperimetri kuantum) dapat dipahami sebagai batas entropi.

“Entropi pada dasarnya adalah kuantitas teori informasi dan oleh karena itu kami memberikan bukti batasan mendasar dalam teori informasi kuantum ketika gravitasi hadir. Sangat masuk akal bahwa gagasan ini dapat berdampak pada informasi kuantum.”

© 2024 Merah Ciencia X