|
Нарушение 3-го закона механики черных дыр
|
|
|
|
Черные дыры, области в пространстве, где гравитация настолько сильна, что ничто не может из них вырваться, широко изучаются в последние десятилетия благодаря их уникальным и интригующим свойствам. Теория общей относительности Эйнштейна предсказывает, что черные дыры подчиняются набору правил, известных как законы механики черных дыр. Эти правила в некоторой степени напоминают законы термодинамики, которые описывают поведение энергии, тепла и энтропии во Вселенной.
|
|
|
|
3-й закон механики черных дыр гласит, что экстремальная черная дыра, или, другими словами, черная дыра, вращающаяся или заряженная до своего абсолютного теоретического предела, не может реально образоваться за конечное время.
|
|
|
|
Предсказывается, что экстремальные черные дыры имеют нулевую поверхностную гравитацию, следовательно, они не излучают стандартное излучение Хокинга и не испаряются в вакууме. Эта специфическая характеристика экстремальных черных дыр известна как «нулевая температура».
|
|
|
|
Исследователи из Кембриджского университета провели численное моделирование, изучая возможность образования экстремально вращающихся черных дыр за конечное время в условиях вакуумной гравитации (то есть, в сценарии, в котором пространство-время эволюционирует без присутствия материи, газа или излучения).
|
|
|
|
|
|
|
В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предполагается, что в условиях вакуумной гравитации экстремальная черная дыра может образоваться из уже существующей черной дыры Шварцшильда (то есть, невращающейся черной дыры с массой, но без электрического заряда), нарушая третий закон механики черных дыр.
|
|
|
|
«Одним из самых глубоких открытий в истории черных дыр стало предположение Якоба Бекенштейна о том, что они являются термодинамическими объектами, подчиняющимися так называемым четырем законам механики черных дыр (сформулированным Бардином, Картером и Хокингом в 1973 году) — в соответствии с четырьмя законами термодинамики», — сказал Phys.org Джон Р. Крамп, первый автор статьи.
|
|
|
|
«Соответственно, они обладают энтропией, определяемой площадью поверхности черной дыры, и температурой, определяемой поверхностной гравитацией. В соответствии с термодинамикой, мы ожидаем, что энтропия будет только увеличиваться со временем (знаменитый второй закон), и мы также ожидали, что их температуру нельзя будет снизить до абсолютного нуля (третий закон)».
|
|
|
|
В 1986 году физик Вернер Израиль опубликовал статью, в которой предложил теоретическое «доказательство» третьего закона механики черных дыр. Однако представленное им доказательство включало предположение, которое казалось физически обоснованным, но недавно было признано ошибочным.
|
|
|
|
«В 2022 году Райан Унгер и Кристоф Келе потрясли научное сообщество, когда поняли, что это предположение ошибочно, и опубликовали свою сенсационную статью, доказавшую, что третий закон на самом деле ложен — при определенных условиях», — сказал Крамп.
|
|
|
|
«А именно, исследованные ими черные дыры электрически заряжены и достигают нулевой температуры, поглощая идеализированную заряженную материю. Это была огромная новость, и у всех возник естественный вопрос: «Если третий закон неверен для заряженных черных дыр, то что насчет черных дыр, не содержащих никакой материи?»
|
|
|
|
Моделирование черных дыр в пяти измерениях
|
|
|
|
Опираясь на более раннее теоретическое исследование Унгера и Келе, исследователи приступили к дальнейшему изучению сценария, который мог бы нарушать третий закон механики черных дыр. В частности, они исследовали возможность того, что черная дыра может достичь нулевой температуры за конечное время, просто поглощая гравитационные волны.
|
|
|
|
«Читатели могут задаться вопросом, почему наш результат относится к черным дырам в пяти измерениях (5d), а не в четырех, поскольку никто из тех, кого я встречал, никогда случайно не разворачивался и не оказывался в еще не замеченном дополнительном пространственном измерении», — объяснил Крамп.
|
|
|
|
«Причина этого техническая — как ни удивительно, в 5D значительно проще сформулировать задачу, потому что там есть симметрия, которую можно использовать, а в 4D этой симметрии нет.
|
|
|
|
На более глубоком уровне, демонстрация этого результата для вакуумной гравитации в 5D — это всё ещё достижение, обогащающее наше понимание общей теории относительности — спустя 111 лет кажется, что теория гравитации Эйнштейна обычно становится только более загадочной, а не менее».
|
|
|
|
Команда использовала инструмент, называемый характеристическим склеиванием, который также применяли Унгер и Келе в своей статье. Как следует из названия, этот подход предполагает «склеивание» (то есть соединение) различных областей пространства-времени в большее пространство-время, удовлетворяющее уравнениям Эйнштейна.
|
|
|
|
«Характеристическое склеивание можно использовать для «склеивания» различных участков пространства-времени — если вы сможете найти что-то, что правильно интерполирует между этими участками», — сказал Крамп.
|
|
|
|
«В нашем случае…» «Мы склеили исходную область, содержащую черную дыру Шварцшильда, с конечной областью, содержащей черную дыру с нулевой температурой (называемую экстремальной черной дырой Майерса-Перри)», — сказал Крамп. «Чтобы быть действительно тщательными, мы также склеили ее с исходной областью, которая вообще не содержала черной дыры — экстремальная черная дыра образовалась исключительно в результате коллапса гравитационных волн».
|
|
|
|
Унгер и Келе решили эту проблему, используя только математические уравнения. В отличие от них, Крамп и его коллеги также полагались на численное моделирование и вычислительные инструменты, в частности, на искусственные нейронные сети (ИНС).
|
|
|
|
«Мы обучили нейронную сеть находить интерполяционную область пространства-времени», — объяснил Крамп. «Вместо того чтобы выдавать предсказания следующего слова из входных подсказок, как это делают традиционные большие языковые модели (БЛМ), наши нейронные сети принимают координаты в качестве входных данных и выдают геометрию пространства-времени. Для их «обучения» мы использовали те же методы, которые используются для обучения ChatGPT и других разговорных платформ, основанных на БЛМ».
|
|
|
|
Результаты численного моделирования команды показывают, что в 5D третий закон механики черных дыр неверен. Это нарушение третьего закона справедливо независимо от теоретической модели материи, на которую опираются при проведении анализа.
|
|
|
|
«Независимо от того, является ли ваша модель материи стандартной моделью, темной материей, заряженными жидкостями или чем-то подобным, третий закон все равно неверен, потому что для достижения черной дырой нулевой температуры достаточно только гравитации», — объяснил Крамп.
|
|
|
|
«Черные дыры с нулевой температурой — это странные, экзотические объекты со множеством причудливых свойств (что отчасти объясняет, почему третий закон изначально считался верным), поэтому тот факт, что они могут образовываться, открывает двери для всевозможных явлений. Надеюсь, это станет тем самым «кроличьим норой», которая раскроет еще больше секретов общей теории относительности».
|
|
|
|
Это недавнее исследование вскоре может вдохновить на дальнейшие теоретические исследования, моделирующие поведение черных дыр и других космологических объектов в пятимерной вакуумной гравитации. Тем временем Крамп и его коллеги планируют провести дальнейшие численные моделирования для проверки третьего закона механики черных дыр в четырехмерной вакуумной гравитации.
|
|
|
|
«Это технически сложнее, чем в пятимерном пространстве, и — как и в случае с любым опровержением — пока неясно, возможно ли это вообще», — добавил Крамп.
|
|
|
|
«Возможно, третий закон чудесным образом подтвердится в четырехмерной вакуумной гравитации, и в таком случае попытка его опровергнуть была бы бессмысленной затеей... но у нас есть подозрения, и, надеюсь, нас не обманут».
|
|
|
|
Источник
|
