Stefano Antonini, Prof. Luca Victor Iliesiu, Pratik Rath ve Patrick Duy Tran, kara deliklerin, en azından kuramsal model bağlamında kuantum sistemler gibi davrandığını gösteren yeni bir çalışma yürüttü. Çalışma, kara deliklerin termodinamiğin üçüncü yasasını ihlal etmediğini; yani entropilerinin pozitif kaldığını ve aşırı düşük sıcaklıklarda sıfıra yaklaştığını ortaya koyuyor. Bu sonuç, kara deliklerin “izole bir temel hali”ne (ground state) sahip olduklarına dair bir kanıt sunuyor.
Önceki hesaplamalarda, kara delik entropisi düşük sıcaklıklarda negatif çıkabiliyordu, ki bu fiziksel olarak anlamsızdı. Çünkü termodinamiğin üçüncü yasasına göre, sıcaklık sıfıra yaklaştığında entropi ne olursa olsun negatif olamaz; en iyi halde sıfıra iner.
Paradoksun kaynağı, entropi hesaplamasında kullanılan yöntemle ilgiliydi. Geleneksel olarak “annealed entropy” adı verilen yöntem, önce tüm olası hallerin ortalamasını alıyor sonra entropiyi hesaplıyordu. Ancak bu sıralama yanlış sonuç verebiliyordu. Doğru yaklaşım, her hal için entropiyi ayrı hesaplayıp sonra ortalama almak, yani “quenched entropy” yöntemi olmalıydı.
‘Quenched’ entropi nasıl hesaplandı?
Kara delikler ve kuantum yerçekimi gibi sistemlerde quenched entropy hesaplamak oldukça zor; çünkü matematiksel ve sayısal anlamda karmaşıklıklar mevcut. Bu yüzden araştırmacılar, iki uç yöntem arasına denk gelebilecek ve hesaplaması daha uygulanabilir bir “yarıquenched”, “semiquenched entropy” tanımı getirdi. Bu yeni tanım, quenched entropy’nin fiziksel anlamını taşıyan ama hesaplaması daha basit olan bir yol sunuyor.
Yaptıkları analizlerde, hem yerçekimi tarafındaki “solucan delikleri” (wormhole) katkılarını hesaba katan yol integralı ile, hem de eşdeğer olduğu kabul edilen rastgele matris teorisi yöntemleriyle semiquenched entropinin her sıcaklıkta pozitif kaldığını ve sıcaklık sıfıra yaklaştığında da entropinin sıfıra indiğini buldular. Bu bulgu, kara deliklerin gerçekten izole bir temel hali taşıdığını ve dolayısıyla kuantum sistemler gibi davrandığını gösteriyor.
Bu sonuç, kara deliklerin entropisinin klasik yaklaşımın aksine, sadece yüzey alanına bağlı bir sayı olmayabileceğini; mikro durumların (microstates) doğrudan düşünülebileceğini ima ediyor. Yani kara delik entropisi, rastgele veya anlamsız bir “değer” değil; gerçekten kuantum mikrodüzeydeki düzinelerce farklı halin toplam sayısı olabilir. Bu da kara deliklerin kuantum mekaniğine uygun, mikroskobik yapı taşıyan cisimler olduğunu gösteriyor.
Ancak bu çalışma, şu an için yalnızca spesifik bir kuramsal model, Jackiw‑Teitelboim gravity (JT yerçekimi) bağlamında geçerli. Bu modelde kara deliklerin entropisi ve enerji spektrumu, aynı zamanda rastgele matris teorisiyle eşleştirilebiliyor; bu eşleşme sayesinde “Airy uç (Airy edge)” adı verilen matematiksel yapı da analiz edilebiliyor.
Dolayısıyla elde edilen bulgular umut verici; ancak “gerçek evrendeki kara delikler” – yani 3+1 boyutlu, dönen ya da yüklü kara delikler, için aynı sonuç geçerli midir sorusu hala açık. Bilim insanları bu doğrultuda çalışmaların devam etmesi gerektiğini belirtiyor.
Sonuç olarak: Bu yeni çalışma, kara delikleri gözlem ya da klasik görelilikten çok, kuantum sistemler olarak değerlendirmek gerektiğini gösteriyor. Eğer diğer modellerde de benzer sonuçlar alınabilirse, “kuantum yerçekimi” anlayışımızda köklü bir değişim olabilir, kara delikler sadece devasa kozmik cisimler değil, aynı zamanda mikroskobik kuantum dünyasının kapılarını aralayan laboratuvarlar haline gelebilir.
Kaynak: Physical Review Journal