Fizycy zmodyfikowali nierówność Penrose'a w trójwymiarowej przestrzeni anty-Desittora i przetestowali ją na obracających się i stacjonarnych czarnych dziurach kwantowych. W rezultacie naukowcy wysunęli hipotezę o istnieniu kwantowej cenzury kosmicznej w ramach półklasycznej grawitacji. Naukowcy podzielili się w Physical Review Letters.
Czarne dziury w fizyce współczesnej to kluczowe obiekty, które pomogły naukowcom zrozumieć, jak geometria i materia są ze sobą powiązane: na przykład nierówność Penrose’a (i jej szczególny przypadek — nierówność Riemanna-Penrose’a) łączyła minimalną masę ciała i powierzchnię czarnej dziury, która je przykrywa. Jednocześnie okazało się, że każde naruszenie nierówności Penrose’a oznacza naruszenie słabej cenzury kosmicznej w klasycznej formulacji i nie pozwala naukowcom rozważać obiektów osobliwości kwantowej.
Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę termiczną naturę czarnych dziur, których entropia jest proporcjonalna do powierzchni horyzontu zdarzeń, nierówność Penrose'a można interpretować jako ograniczenie na entropię — otrzymujemy kwantową nierówność Penrose'a, która ustanawia odpowiedniość między materią kwantową a klasyczną grawitacją. Numeryczna ocena tej nierówności wymaga od fizyków rozwiązania półklasycznych równań Einsteina, co stało się otwartym problemem dla wymiarów przestrzeni większych niż dwa.
Antonia Frassino z Uniwersytetu Alcalá i jej koledzy z Wielkiej Brytanii, Hiszpanii i Włoch zweryfikowali nierówność kwantową Penrose'a, omijając ograniczenia wymiarowości przestrzeni podczas rozwiązywania równań Einsteina. Aby to zrobić, naukowcy rozważyli jej modyfikację w przestrzeni anty-Desittera przy założeniach teorii pola konforemnego i sprawdzili powstałą nierówność na kwantowych czarnych dziurach BTZ, które nie zostały wybrane przypadkowo: geometria i termodynamika tych obiektów zostały łatwo znalezione analitycznie przez fizyków.
Przede wszystkim badacze byli przekonani, że pierwsza zasada termodynamiki jest spełniona dla opracowanego modelu, a po dokładniejszej analizie nierówności kwantowej Penrose'a naukowcy doszli do wniosku, że osiągnięcie dokładnej równości oznacza, że efekty kwantowe mogą tworzyć czarne dziury o masach zabronionych przez fizykę klasyczną, co, według teoretyków, było pierwszym znakiem istnienia tzw. kwantowej cenzury kosmicznej. Jednocześnie przypadki potencjalnego naruszenia nierówności zostały zlokalizowane dla przypadków termodynamicznie niestabilnych czarnych dziur.
Autorzy artykułu zauważyli, że w przyszłości ich model powinien zostać przetestowany na przestrzeniach antyDesittora wyższych wymiarów, a także że należy wykorzystać inne odmiany czarnych dziur kwantowych, aby odkryć nowe właściwości półklasycznej grawitacji.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak pętlowa grawitacja kwantowa przewidziała przejście między czarną i białą dziurą.