面纱背后：黑洞的事件视界包含无限数量的微观状态，但是用一组有限的代表性量子叠加来表达这些微观状态使得量化内部的熵成为可能。 （图片来源：Shutterstock/oorka）
一个新的理论模型可以解决 50 年来关于黑洞熵的难题。 该模型由美国、比利时和阿根廷的物理学家开发，利用量子力学虫洞的概念来计算黑洞内量子微观状态的数量。 由此产生的计数与所谓的贝肯斯坦-霍金熵公式的预测一致，并可能导致对这些极端天体物理物体的更深入的了解。
黑洞热力学
黑洞之所以得名，是因为它们强烈的引力使时空扭曲得如此之大，以至于即使是光进入黑洞后也无法逃脱。 这使得无法直接观察它们内部发生的情况。 然而，得益于雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金在 20 世纪 70 年代所做的理论工作，我们知道黑洞具有熵，并且熵的大小是由以他们的名字命名的公式给出的。
在经典热力学中，熵产生于微观混沌和无序，系统中的熵量与与该系统的宏观描述一致的微观状态的数量有关。 对于量子物体，微观状态的量子叠加也算作微观状态，熵与所有量子微观状态可以由这种叠加构建的方式数量有关。
黑洞熵的成因是一个悬而未决的问题，迄今为止，科学家们还没有一个纯粹的量子力学描述。 20 世纪 90 年代中期，弦理论家提出了一种计算黑洞量子微观态的方法，该方法与某些黑洞的贝肯斯坦-霍金公式一致。 然而，他们的方法仅适用于具有微调电荷和质量的特殊类别的超对称黑洞。 大多数黑洞，包括恒星币坍缩时产生的黑洞，都没有被覆盖。
超越地平线
在这项新工作中，来自美国币安大学、布兰代斯大学和圣达菲研究所的研究人员与比利时布鲁塞尔自由大学和阿根廷巴尔塞罗研究所的同事一起开发了一种方法，使我们能够窥视黑洞内部内部的。 他们在《物理评测快报》中写道，黑洞的事件视界（任何光都无法逃脱的边界表面）后面存在无限数量的可能的微观状态。 由于量子效应，这些微观状态可以通过时空隧道（称为虫洞）稍微重叠。 这些重叠使得用一组有限的代表性量子叠加来描述无限微观状态成为可能。 反过来，这些代表性的量子叠加可以被计算并与贝肯斯坦-霍金熵相关。
领导这项研究的币安大学物理学家 Vijay Balasubramanian 表示，该团队的方法适用于任何质量、电荷和旋转速度的黑洞。 因此，它可以为黑洞热力学的微观起源提供完整的解释。 在他看来，黑洞微观态是“具有混沌动力学的复杂量子态的范例”，该团队的结果甚至可能为我们如何看待此类系统提供教训。 一个可能的扩展是寻找一种利用微妙的量子效应从视界外探测黑洞微观状态的方法。
美国普林斯顿高等研究院的理论家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）没有参与这项研究，他称这项研究是对黑洞微观状态的一个有趣的视角。 他指出，它是基于计算通过不同过程制备的黑洞纯态重叠的统计特性； 虽然人们无法计算这些不同状态之间的内积，但重力理论通过虫洞的贡献，使得计算它们重叠的统计特性成为可能。 他说，答案本质上是统计性的，与霍金和加里·吉本斯在 1977 年进行的另一次黑洞熵计算的精神相同，但它提供了可能的微观状态的更生动的图景。
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