1677
Науковці запропонували новий спосіб описувати чорні діри, який може подолати серйозне обмеження однієї з найвпливовіших ідей Стівена Гокінга. Дослідження вводить оновлений підхід до термодинаміки чорних дір, що працює навіть тоді, коли ті змінюються з часом, — а отже, може дати нове розуміння того, як вони формуються, зливаються й повільно випаровуються. Роботу опублікували в Physical Review Letters.
Чорні діри — одні з найекстремальніших об’єктів у відомому Всесвіті: вони стискають величезну масу в неймовірно малу область, створюючи гравітацію настільки потужну, що з неї не може вирватися навіть світло. На початку 1970-х Гокінг та інші дослідники виявили несподівані зв’язки між законами термодинаміки, що описують звичні процеси на кшталт нагрівання води, і поведінкою чорних дір.
«Закони механіки чорних дір Гокінга дали приємний зв’язок між екстремальною та буденною фізикою й були панівною парадигмою 50 років, але вони мають серйозне обмеження, — пояснив керівник дослідження, професор Абгай Аштекар із Пенсильванського університету. — Їх сформулювали для чорних дір у рівновазі, тобто незмінних у часі. Але чорні діри постійно змінюються — вони формуються, зливаються й зрештою випаровуються. Ми хотіли знайти спосіб поширити закони на нерівноважні чорні діри».
Аштекар і колеги запропонували новий метод визначення ентропії чорної діри — величини, що вимірює безлад і, за другим началом термодинаміки, ніколи не може зменшуватися. Їхня нова міра ентропії тісніше пов’язана зі спіном та енергією чорної діри й може покращити розуміння динамічних подій, як-от злиття й випаровування чорних дір.
Аспірант Даніель Параїзо пояснив, чому підхід Гокінга потребував оновлення: спершу здавалося, що чорні діри мають нескінченну ентропію й нульову температуру, що робило їх несумісними зі звичними законами термодинаміки. Гокінг змінив цю картину, показавши за допомогою квантової механіки, що чорні діри можуть випромінювати частинки та енергію. «Це перетворило термодинамічні властивості чорних дір із суто математичної концепції на радше фізичну реальність», — зазначив Параїзо.
Гокінг припустив, що розмір горизонту подій чорної діри — межі, за яку не вибереться навіть світло, — пропорційний її ентропії, а температура залежить від поєднання маси й спіну. Проблема в тому, що це працює лише для чорної діри в рівновазі. «У динамічних ситуаціях горизонти подій можуть формуватися й рости в «пласких» ділянках простору-часу, де нічого не відбувається, — пояснив аспірант Джонатан Шу. — Це робить їх телеологічними: їхні властивості не можна визначити лише за локальною фізикою, вони залежать від прогнозу подій, які можуть і не статися в майбутньому».
Рішення команди — замінити традиційний горизонт подій на так званий динамічний горизонт, поняття, що вже широко використовують у комп’ютерних симуляціях. На відміну від горизонту подій, динамічний горизонт визначається властивостями чорної діри в конкретний момент часу, уникаючи ускладнень, пов’язаних із опорою на майбутні події. «Це дозволяє поширити перше й друге начала термодинаміки на чорні діри поза рівновагою, долаючи обмеження парадигми, яка діяла понад пів століття, — підсумував Аштекар. — Ці узагальнені закони можна застосувати, щоб краще зрозуміти випаровування чорних дір і їх злиття, як ті, що їх фіксує колаборація LIGO-Virgo-KAGRA за гравітаційними хвилями».
