Квантовые поля вблизи чёрных дыр имеют верхнюю границу нагрева, за которой скорость "забывания" не увеличивается

Российские физики из МФТИ и ИППИ РАН обнаружили интересную штуку про квантовые поля рядом с черными дырами и в ускоренно расширяющейся Вселенной. Оказывается, у этих полей есть своего рода "порог нагрева". До этого порога чем горячее среда, тем быстрее поле "забывает" свое прошлое. Но как только температура пересекает этот порог, нагрев перестает играть роль: скорость "забывания" становится постоянной и зависит уже не от температуры, а от формы пространства, например, от размера горизонта событий.

В любом газе или поле есть "память" — насколько текущее состояние зависит от прошлых событий. Обычно эта память стирается со временем, и чем горячее среда, тем быстрее это происходит. Например, в воздухе частицы быстрее теряют направление при повышении температуры. Время, за которое память исчезает, называют временем релаксации.

В плоском пространстве Минковского квантовое поле ведет себя как обычный газ при высокой температуре. Но если пространство искривленное (например, возле черной дыры), появляется горизонт — граница, за которую сигнал не возвращается. У такого горизонта есть свои "звуки" — затухающие колебания, похожие на звон колокола. Эти колебания зависят только от геометрии пространства, а не от температуры. Именно их гравитационные детекторы фиксируют после слияния черных дыр.

Исследователи из МФТИ и ИППИ РАН решили напрямую рассчитать, как все это работает. Они взяли простейший бозе-газ в пространстве-времени с горизонтом Киллинга и выяснили, насколько текущее состояние поля зависит от прошлого при любой температуре. Горизонт Киллинга — это граница, за которой привычное течение времени меняется. Для черной дыры это совпадает с ее "поверхностью".

Учёные рассмотрели два типа искривленного пространства: одно похоже на нашу ускоренно расширяющуюся Вселенную (модель де Ситтера), другое — на трехмерную черную дыру. Для каждого случая они вывели точную формулу критической температуры, выше которой геометрический механизм "забывания" берет верх. Эта температура зависит от массы поля и типа пространства, но суть остается той же.

Интересно, что при критической температуре не происходит обычного фазового перехода, как таяние льда. Меняется не термодинамика, а только скорость "забывания" прошлого. Это как если бы у маятника изменилась частота колебаний, но сам маятник остался прежним.

Глеб Зверев, студент МФТИ, сказал: «Мы устроили гонку между двумя механизмами «забывания». Тепловой зависит от температуры, геометрический — от формы пространства. Приятно, что вывод не привязан к одной модели: и статический регион пространства де Ситтера, и трёхмерная черная дыра дают одну и ту же картину».

Этот подход отличается от прежних тем, что температура газа отвязана от геометрии. Обычно поле возле горизонта рассматривают при температуре Хокинга, потому что только она делает состояние регулярным. Физики оставили температуру свободным параметром и посмотрели, как меняется ответ при ее изменении.

Работа важна для астрофизики: частоты затухания, которые измеряют при слиянии чёрных дыр, теперь связаны со скоростью "забывания" полей. А для физики твердого тела похожие модели описывают электроны в некоторых материалах.

Дмитрий Дьяконов, ассистент кафедры теоретической физики МФТИ, пояснил: «Смена поведения корреляционной функции на поздних временах похожа на фазовый переход, но свободная энергия не чувствительна к этому изменению. В свободной теории перестраивается только динамика. Следующим шагом будет включение взаимодействия, что приведет к настоящему фазовому переходу».смос #квантоваяфизика #черныедыры

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: