|
Черные дыры могут подчиняться термодинамике Хокинга
|
|
|
|
Из известных явлений во Вселенной черные дыры относятся к числу наиболее экстремальных. Они плотно упаковывают огромное количество массы в небольшую область, создавая настолько сильную гравитацию, что даже свет не может ее вырвать. Для описания их свойств физики опирались на сложные уравнения из теории общей относительности Эйнштейна и квантовой механики. Но в начале 1970-х годов Стивен Хокинг и другие физики обнаружили параллели между законами термодинамики, описывающими обычные явления — например, как плита кипятит кастрюлю воды, — и механикой черных дыр.
|
|
|
|
«Законы Хокинга о механике черных дыр обеспечили удовлетворительную связь между экстремальной и обычной физикой и были парадигмой в течение 50 лет, но у них есть серьезное ограничение», — сказал Абхай Аштекар, профессор Университета Атертона и почетный профессор физики имени Эвана Пью в Колледже науки Эберли в Университете штата Пенсильвания и руководитель исследовательской группы.
|
|
|
|
«Законы были сформулированы для черных дыр, находящихся в равновесии — или не изменяющихся во времени, — но черные дыры постоянно меняются; они образуются, сливаются и в конечном итоге испаряются. Мы хотели найти способ преодолеть это ограничение и распространить законы на черные дыры, находящиеся вне равновесия».
|
|
|
|
|
|
|
Теперь новое исследование Аштекара и его команды, опубликованное и отмеченное в качестве рекомендации редактора в журнале Physical Review Letters, предлагает альтернативный способ определения энтропии черной дыры — меры беспорядка, которая никогда не может уменьшаться согласно второму закону термодинамики. Предложенная новая мера энтропии более тесно связана с физическими свойствами черной дыры, такими как спин и энергия, и может открыть новые возможности для лучшего понимания динамических процессов, которые переживают черные дыры — от испарения до слияния с другой черной дырой.
|
|
|
|
Как Хокинг изменил картину
|
|
|
|
«Законы механики черных дыр напрямую вытекают из уравнений Эйнштейна», — сказал Дэниел Э. Параизо, аспирант по физике в Университете штата Пенсильвания и один из авторов статьи. «Поскольку в черную дыру нельзя заглянуть, казалось, что существует бесконечное количество способов ее создания, что также делает ее энтропию бесконечной. Также считалось, что они только поглощают энергию и никогда не излучают, поэтому их температура равна нулю».
|
|
|
|
С бесконечной энтропией и нулевой температурой черные дыры казались неподвластными объяснению термодинамики, но затем Хокинг использовал квантовую механику, чтобы показать, что черные дыры могут излучать энергию и частицы.
|
|
|
|
«Это изменило представление о термодинамических свойствах черных дыр: из математической концепции, описываемой уравнениями, оно перешло к более физической реальности», — сказал Параизо. «Это открыло путь к поиску аналогий в черных дырах для энтропии и температуры, используемых в термодинамике».
|
|
|
|
Хокинг предположил, что площадь горизонта событий черной дыры, границы вокруг черной дыры, где гравитация все еще достаточно сильна, чтобы предотвратить утечку света, пропорциональна ее энтропии, а ее температура обратно пропорциональна сочетанию ее массы и спина.
|
|
|
|
Где горизонты событий оказываются несостоятельными
|
|
|
|
«Однако есть проблема», — сказал Джонатан Шу, аспирант по физике в Университете штата Пенсильвания и один из авторов статьи. «Эти аналогии действительно работают только для черной дыры, находящейся в равновесии. В динамических ситуациях горизонты событий могут формироваться и расти в так называемых плоских областях пространства-времени, где ничего не происходит. Это делает их телеологическими — их свойства нельзя определить только на основе локальной физики черной дыры, а вместо этого они зависят от предсказания событий, которые могут произойти, а могут и не произойти в будущем.
|
|
|
|
Поэтому площадь горизонтов событий не может быть мерой физической энтропии динамических черных дыр». «Если мы хотим понять, как растут, испаряются и сливаются черные дыры, нам нужна жизнеспособная альтернатива».
|
|
|
|
Новое исследование команды показывает, что горизонты событий можно заменить так называемыми «динамическими горизонтами», которые уже используются в численных моделях черных дыр. Динамический горизонт характеризуется свойствами черной дыры в данный момент времени и, таким образом, свободен от проблемы телеологии.
|
|
|
|
«Это позволяет нам распространить первый и второй законы термодинамики на черные дыры, которые не находятся в равновесии, тем самым преодолевая ограничения парадигмы, которая использовалась более полувека», — сказал Аштекар. «Мы можем применять эти обобщенные законы для лучшего понимания испаряющихся черных дыр в квантовой теории и слияний черных дыр, подобных тем, которые были обнаружены коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA с использованием гравитационных волн».
|
|
|
|
Источник
|
