Kara delikten süperakışkan helyuma
Süperakışkan maddenin çok garip bir halidir, örneğin anti-yerçekimi olan bir kaptan yukarı doğru "düşebilir". (Resim kaynağı: AlfredLeitner / Wikimedia)
Hem kara delikler hem de süperakışkanlar çok tuhaf. İlki, evrendeki en büyüleyici gök cismi, yerçekimi kuvveti o kadar güçlü ki, ışık bile kaçamaz. İkincisi, sonsuzca akabilen bir sıvıdır (sıfır direnç). İkisi arasında bir bağlantı yok gibi görünüyor, ancak bilim adamları bilgisayar simülasyonları yoluyla kara deliklerin uyguladığı olağanüstü bir yasanın süperakışkan helyumda da meydana geldiğini keşfettiler. Bu yasanın adı Dolaşık Alan Hukuku .
1970'lerin başlarında Hawking ve Bekenstein, kara deliklerin garip bir özelliğini keşfettiler. Bir şeyin bir kara deliğin içine düştüğünü düşünün, makul bir tahmin, yuttuğu toplam bilgi miktarının - fizikçiler genellikle bir sistemdeki bilgileri ifade etmek için entropiyi kullanır - hacim arttıkça artacaktır. Bununla birlikte, Hawking ve Bekenstein, hesaplamalar yoluyla beklenmedik bir şekilde, entropideki artışın hacme bağlı olmadığını, kara deliğin yüzey alanıyla orantılı olduğunu keşfettiler.
Bir kara deliğin entropisi (S_BH) yüzey alanı (A) ile orantılıdır ve l_p, Planck uzunluğunu temsil eder.
Bu tuhaf. Bir kutunun boyutunu iki katına çıkarırsanız, doğal olarak kutunun tutabileceği toplam bilgi miktarının da iki katına çıkmasını beklersiniz. Ancak kara delik durumu bir dosya dolabı gibidir, kaç dosya doldurabileceği çekmecenin ne kadar derin olduğuna değil, çekmecenin yüzey alanına bağlıdır.
Şimdi, bilim adamları bu sezgisel dolanma alanı yasasının süperakışkanlar için de geçerli olduğunu keşfettiler.
Makalenin yazarlarından Adrian Del Maestro. (Resim kaynağı: Josh Brown)
Bilim adamları helyum izotopu helyum-4'ü simüle etmek için süper bilgisayarlar kullandılar. Sıcaklık 2 Kelvin'in (eksi 271 santigrat derece) altına düştüğünde, helyum bir gazdan viskozitesi olmayan bir süperakışkana dönüşerek kinetik enerji kaybetmeden akmasına izin verir.
Süperakışkan helyumda, maddeyi oluşturan tek tek atomlar artık ayrı varlıklar olarak görülmez ve aralarında kuantum dolaşıklığı meydana gelir - bir çift dolaşık parçacık ne kadar uzakta olursa olsun, parçacıklardan birinin durumu bilindiği sürece, anında olabilir. Diğerinin durumunu bilin (kuantum dolanıklığının ayrıntılı bir tartışması için lütfen okuyun: "Kozmik Çan Deneyi"). Araştırmacılar simülasyonları yürütmek için iki süper bilgisayar kullandılar ve süperakışkan helyumdaki 64 helyum atomu arasındaki etkileşimi araştırdılar.
Aşağıdaki resimde süperakışkan bir helyum kabının sanal bir top, yeşil kısımdaki soğuk helyum atomları ve topu çevreleyen helyum atomları (mavi) ile ikiye bölündüğünü görebiliriz. Bilim adamları, kürenin içindeki ve dışındaki atomlar arasındaki dolanıklığı inceledi. Topun içi ve dışı arasında paylaşılan dolaşık kuantum bilgisinin miktarının (dolaşıklık entropisi) topun hacmine değil yüzey alanına göre belirlendiğini buldular.
Süperakışkan helyum, fizikte garip bir yasaya uyar. Bir sistemin bilgisi - entropi - sistemin yüzey alanıyla (hacimle değil) artar. Süperakışkan simülasyonunda, kürenin dışındaki atomlarla (mavi) dolaşan küredeki (yeşil) atomların entropisi süperakışkan kürenin yüzey alanı (gri) ile artar. (Resim kaynağı: HERDMAN ET AL / NATURE PHYSICS 2017)
Süperakışkan bir kürenin olay ufku, bir kara deliğinkine benzer (kara deliği çevreleyen geri dönülmemiş bir sınır ve ışık bu sınırın içine düşse bile kaçamaz). Bir kara delikte, olay ufkunun bir tarafındaki parçacıklar diğer tarafa dolanarak aynı şekilde dolanıklık entropisi oluşturabilir.
Bu sonuç çok şaşırtıcı. Yeni araştırma sonuçları, fizikçilerin mikroskobik dünyayı yöneten kuantum mekaniği ile makroskopik dünyayı yöneten genel görelilik arasındaki bağlantıyı bulmalarına ve tam bir kuantum yerçekimi seti geliştirmelerine yardımcı olabilir.
Alan teoremi, modern fiziğin temel bir parçasıdır. Bir kara deliğin entropisi, bilim adamlarına holografi ilkesini önerme konusunda ilham veren yüzey alanıyla orantılıdır. İlke, üç boyutlu uzaydaki bilginin iki boyutlu bir yüzeyde derleneceğine inanmaktadır.
Kuantum dolanıklığı solucan delikleriyle ilişkili mi? . (Resim kaynağı: NICOLLE RAGER FULLER)
Ek olarak, bazı bilim adamları şimdi uzay-zamanın temel yapısının aynı zamanda kuantum dolanmasının bir sonucu olabileceğine inanıyor.Bu fikir aynı zamanda alan yasasıyla da ilgili.
Dolanıklık entropisinin fiziğin birçok farklı alanında uygulamaları olmasına rağmen, en büyük sorun kimsenin gerçek dünyadaki sistemlerde nasıl ölçüleceğini bilmemesidir.
