853
Уявіть, що закони, які Стівен Гокінг сформулював для чорних дір, працюють лише для «ідеальних» об’єктів, застиглих у часі, тоді як справжні чорні діри у Всесвіті постійно народжуються, ростуть, зливаються й повільно випаровуються. Нова робота фізиків з Пенсільванського університету пропонує спосіб нарешті застосувати термодинаміку до реальних, «живих» чорних дір і тим самим оновлює один із найвідоміших результатів Гокінга.
Про це йдеться в дослідженні, на яке звертає увагу ScienceDaily.
Що відомо коротко
- Вчені з Пенсільванського університету запропонували новий теоретичний каркас для опису термодинаміки чорних дір, що змінюються з часом.
- Команда Абгая Аштекара (Abhay Ashtekar) ввела нову міру ентропії чорної діри, тісніше пов’язану з її енергією та обертанням.
- Замість класичного «горизонту подій» використовується динамічний горизонт, який описує чорну діру в конкретний момент часу.
- Такий підхід дозволяє поширити перший і другий закони термодинаміки на чорні діри, що формуються, зливаються й випаровуються.
- Робота може поглибити розуміння злиттів чорних дір і випромінювання Гокінга, а також подій, які фіксують обсерваторії на кшталт LIGO.
Чому чорна діра взагалі має «температуру» і «безлад»
Чорна діра звучить як щось абсолютно «мертве»: гравітаційна пастка, з якої не виривається навіть світло. Але ще у 1970-х Стівен Гокінг показав, що ці об’єкти поводяться дивно схоже на гарячі чайники чи каструлі з водою, які ми гріємо на плиті.
У термодинаміці є дві ключові величини: температура і ентропія. Температура каже, наскільки «гаряча» система, а ентропія — наскільки в ній багато безладу або скільки є способів упакувати її мікроскопічні стани. Для звичайних тіл це зрозуміло: молекули рухаються, стикаються, розлітаються.
З чорними дірами все не так очевидно: за горизонт подій ми зазирнути не можемо, тож, здавалося, там може бути нескінченна кількість способів «скласти» матерію — отже, й ентропія мала б бути нескінченною. До того ж їх довго вважали об’єктами з нульовою температурою, які лише поглинають енергію й нічого не випромінюють.
Гокінг, поєднавши загальну відносність Ейнштейна з квантовою механікою, показав протилежне: чорні діри можуть випромінювати частинки й енергію, мають кінцеву температуру, а їхня ентропія пропорційна площі горизонту подій. Так з’явилися «закони механіки чорних дір», які дивовижно нагадують закони термодинаміки.
У чому обмеження підходу Гокінга
Є одна велика проблема: класичні закони Гокінга працюють добре лише для чорних дір у рівновазі, тобто таких, що не змінюються з часом. Це якби вся термодинаміка описувала тільки чайник, який вічно стоїть на плиті при одній і тій самій температурі.
Фізик Деніел Е. Парайзо (Daniel E. Paraizo) нагадує, що спочатку чорні діри здавалися несумісними з термодинамікою: їхня ентропія мала б бути нескінченною, а температура — нульовою. Лише квантові розрахунки Гокінга змінили цю картину й перетворили «математичну іграшку» на фізичну реальність з аналогами температури й ентропії.
Однак у реальному Всесвіті чорні діри формуються з колапсу зірок, поглинають матерію, зливаються одна з одною й повільно випаровуються. У таких динамічних ситуаціях класичний горизонт подій має дивну властивість: він «телологічний», тобто залежить не лише від того, що відбувається зараз, а й від того, що станеться в майбутньому.
Співавтор роботи Джонатан Шу (Jonathan Shu) пояснює: у динамічних умовах горизонти можуть формуватися й рости навіть у «пласких» ділянках простору-часу, де, здається, нічого не відбувається. Тому площа горизонту подій не може бути надійною мірою фізичної ентропії для таких чорних дір.
Динамічний горизонт як новий «термометр» чорної діри
Команда Абгая Аштекара запропонувала замінити традиційний горизонт подій на так званий динамічний горизонт. Це поняття вже активно використовують у комп’ютерних симуляціях чорних дір, але тепер його поклали в основу нової термодинамічної схеми.
На відміну від горизонту подій, динамічний горизонт визначається локально — за властивостями чорної діри в конкретний момент часу. Йому не потрібно «зазирати в майбутнє», щоб зрозуміти, де проходить межа. Це як робити знімок киплячої води щосекунди й за кожним кадром окремо визначати її температуру та безлад у русі молекул.
На основі цього горизонту вчені ввели нову міру ентропії, яка тісніше пов’язана з енергією та обертанням чорної діри. Завдяки цьому вони змогли узагальнити перший і другий закони термодинаміки на випадок, коли чорна діра не перебуває в рівновазі.
Результати опубліковано в журналі Physical Review Letters, де роботу відзначили як Editor’s Suggestion, тобто одну з найцікавіших у випуску.
Що це дає для злиттів і випаровування чорних дір
Новий підхід — це не просто красива математика. Він може допомогти краще зрозуміти злиття чорних дір, які ми «чуємо» у вигляді гравітаційних хвиль завдяки обсерваторіям LIGO, Virgo та KAGRA.
Коли дві чорні діри зближуються й стикаються, їхні горизонти спотворюються, ростуть і зливаються в один. Це дуже динамічний процес, далекий від рівноваги, тож класичні закони Гокінга тут працюють лише наближено. Новий каркас дозволяє описувати, як змінюється ентропія й енергія впродовж усього злиття, а не лише до й після нього.
Ще одна сфера застосування — випаровування чорних дір через випромінювання Гокінга. Якщо ми хочемо зрозуміти, як чорна діра повільно втрачає масу й що відбувається з її інформацією, потрібна теорія, яка працює саме для об’єктів «далеких від рівноваги». Саме на такі задачі, за словами Аштекара, і націлений новий підхід.
Дослідження підтримали програма Atherton Professorship і Коледж природничих наук Еберлі Пенсільванського університету.
FAQ
Це вже остаточна теорія чорних дір чи лише крок уперед?
Йдеться про новий теоретичний каркас, який узагальнює відомі закони, а не про завершену «теорію всього». Він пропонує більш реалістичний опис чорних дір, що змінюються з часом, але ще потребує подальшого розвитку й застосування в різних моделях.
Чи змінює це відкриття наші спостереження гравітаційних хвиль?
Безпосередньо вимірювання не змінюються, але інтерпретація сигналів може стати точнішою. Краще розуміння термодинаміки динамічних чорних дір допоможе глибше аналізувати дані LIGO-Virgo-KAGRA про злиття й еволюцію цих об’єктів.
Чому вчені не зробили таке узагальнення раніше?
Перші закони Гокінга вже були величезним проривом, і довгий час фізики вивчали наслідки саме цієї картини. Лише з розвитком чисельних методів, симуляцій і кращого розуміння динамічних горизонтів з’явилися інструменти, щоб побудувати настільки загальний опис.
Чи допоможе це розв’язати «інформаційний парадокс» чорних дір?
Робота прямо не розв’язує парадокс, але дає більш реалістичну основу для його аналізу, оскільки описує чорні діри, що випаровуються, у термінах узагальненої термодинаміки. Це може стати важливим кроком до глибшого розуміння того, як поводиться інформація в гравітаційно-квантових системах.
Чорна діра, яка колись здавалася «чорною дірою» навіть для фізичних законів, поступово перетворюється на звичайний термодинамічний об’єкт — тільки на космічних стероїдах. Чим краще ми вчимося описувати її температуру, ентропію й еволюцію, тим ближче підходимо до об’єднання квантового світу й гравітації в єдину картину Всесвіту.
Фізики оновили закони Гокінга для живих чорних дір з’явилася спочатку на Цікавості.
