Як термодинаміка видів пояснює ентропію чорних дір

Вчені з Німеччини нещодавно опублікували дослідження, яке розкриває зв’язок між термодинамікою видів та ентропією чорних дір, пропонуючи нове розуміння квантової гравітації.

Робота, оприлюднена 6 березня 2025 року в журналі SciPost Physics, базується на аналізі теплових систем із частинками, що перебувають у рівновазі всередині умовного контейнера. Дослідники дійшли висновку, що ентропія таких систем у певних умовах поводиться подібно до ентропії чорних дір, а температура має верхню межу, яка залежить від так званого масштабу видів.

Основна ідея полягає в тому, що в квантовій гравітації існує безліч частинок, або видів, які формують нескінченні набори станів. Ці набори стають легшими в певних межах простору полів, що впливає на поведінку системи. У роботі показано, як стандартна термодинаміка переходить у специфічний режим, коли температура наближається до критичного значення. У цьому режимі ентропія перестає залежати від об’єму контейнера і починає масштабуватися пропорційно його площі, що нагадує відомий закон для чорних дір.

Дослідження виділяє три ключові режими роботи системи. У першому, коли температура перебуває між зворотною величиною розміру контейнера та масштабом видів, система демонструє звичну поведінку: ентропія пропорційна об’єму, а гравітаційний колапс не відбувається. У другому режимі, коли температура наближається до масштабу видів і розмір контейнера зменшується, ентропія переходить до залежності від площі, що відповідає термодинаміці видів. Третій режим є проміжним: тут ентропія визначається кількістю частинок, які беруть участь у тепловій рівновазі, і система плавно переходить між об’ємним та площинним масштабуванням.

Цікаво, що температура системи не може перевищувати масштаб видів, який пов’язаний із максимальною межею дії гравітаційної теорії поля. Це обмеження пояснюється застосуванням меж ентропії, відомих як коваріантна межа ентропії, до контейнера з частинками. Якщо температура наближається до цієї межі, система досягає максимальної ентропії, після чого може колапсувати в чорну діру. Такий перехід дозволяє пов’язати термодинамічні властивості частинок із характеристиками гравітаційних об’єктів.

Дослідники також виявили, що лише певні типи наборів частинок відповідають термодинаміці видів. Це набори з поліноміальною або експоненціальною залежністю кількості станів від маси, що нагадує поведінку частинок у теорії струн або при компактифікації додаткових розмірів. Цей результат підтримує одну з гіпотез квантової гравітації, відому як conjecture струн, яка стверджує, що легкі набори частинок можуть бути лише двох типів: подібні до струнних коливань або пов’язані з розгортанням додаткових розмірів.

Ще одним важливим внеском роботи є концепція відповідності між чорними дірами та наборами частинок. Ця ідея розширює попередню теорію, яка пов’язувала чорні діри лише зі струнними станами. Вчені показали, що ентропію чорних дір будь-якого розміру можна пояснити через термодинаміку слабозв’язаних частинок у межі слабкої гравітації. Для цього вони варіювали параметри системи, такі як розмір контейнера та температура, щоб простежити, як ентропія зберігається при переході від гравітаційного об’єкта до набору частинок.

Ця робота відкриває нові перспективи для розуміння квантової гравітації та природи чорних дір. Вона пропонує інструмент для якісного пояснення ентропії через підрахунок станів частинок, що може бути застосовано до ширшого класу систем. Крім того, дослідження підкреслює важливість межі дії гравітаційних теорій поля, вказуючи на її зв’язок із фундаментальними масштабами в природі.

Авторами роботи є Альваро Ерраез, Дітер Люст, Хоакін Масіас та Марко Скалізі. Дослідження проводилося в Інституті фізики Макса Планка в Гархінгу та Центрі теоретичної фізики Арнольда Зоммерфельда при Університеті Людвіга-Максиміліана в Мюнхені, Німеччина. Їхні висновки вже викликали інтерес серед фахівців із квантової гравітації та теорії струн, обіцяючи подальші дискусії про природу Всесвіту.