|
Столкновения черных дыр подчиняются энтропии
|
|
|
|
Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, они в конечном итоге сближаются по спирали и сталкиваются, вызывая одно из самых мощных явлений во Вселенной. Это событие настолько энергично, что значительно искажает окружающую Вселенную. Оно испускает гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, — достаточно сильные, чтобы их можно было обнаружить с помощью высокоточных приборов на Земле, даже если они возникают на расстоянии миллиардов световых лет.
|
|
|
|
Эти гравитационные волны несут информацию о событии, которую физики используют для предсказания размера новой, большей черной дыры, образовавшейся в результате слияния, — так называемого остатка. Но точные предсказания включают сложные уравнения, первоначально разработанные Эйнштейном в рамках его теории общей относительности, для решения которых требуются суперкомпьютеры.
|
|
|
|
Теперь группа исследователей во главе с физиками из Университета штата Пенсильвания показала, что может существовать более простой способ, который также указывает на более глубокое понимание физики, содержащейся в этих сложных уравнениях. Статья, описывающая исследование, опубликована в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
«После слияния черная дыра звенит, как колокол, и излучает все больше гравитационных волн, пока не стабилизируется в спокойном, устойчивом состоянии, описываемом всего двумя числами — ее конечной массой и вращением», — сказала Моника Ринкон-Рамирес, научный сотрудник в области физики в Колледже естественных наук Эберли при Университете штата Пенсильвания и первый автор статьи.
|
|
|
|
|
|
|
«Вопрос, который мы задали: можем ли мы предсказать, как будет выглядеть это конечное состояние, используя аргументы из термодинамики?»
|
|
|
|
Термодинамика — это раздел физики, изучающий, как такие величины, как энергия, тепло и энтропия, определяют макроскопическое поведение систем, содержащих множество взаимодействующих частиц — от газов в двигателях и атмосфере до повседневной деятельности, такой как приготовление пищи.
|
|
|
|
Общая теория относительности, с другой стороны, описывает гравитацию через геометрию пространства-времени и, следовательно, в первую очередь необходима для описания астрономических наблюдений. До того, как Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут излучать энергию, считалось, что они находятся за пределами области термодинамики.
|
|
|
|
Другое недавнее исследование, проведенное в Университете штата Пенсильвания, преодолело ограничение формулировки Хокинга о механике черных дыр, сделав ее применимой к динамическим черным дырам, которые образуются, сливаются и испаряются.
|
|
|
|
«Концепции и законы термодинамики применимы к системам со множеством частиц, таким как газы», — сказал Натан К. Джонсон-Макдэниел, научный сотрудник Университета Миссисипи, получивший докторскую степень по физике в Университете штата Пенсильвания в 2011 году и являющийся одним из авторов статьи.
|
|
|
|
«Обычно нас интересует предсказание крупномасштабных свойств этих газов, а не то, что делает каждая молекула. Черные дыры, с другой стороны, описываются детерминистическими уравнениями общей теории относительности и, казалось бы, не имеют никакой связи с газами. Но начиная с 1970-х годов, ведущие физики обнаружили интересную параллель между свойствами черных дыр и свойствами газов. Мы хотели распространить эту аналогию на двойные системы черных дыр».
|
|
Энтропия указывает на остаток
|
|
|
|
Новая работа предполагает, что после того, как энергия и угловой момент — мера вращательного движения системы — уносимые гравитационными волнами, должным образом учтены, конечная черная дыра, по-видимому, представляет собой состояние, которое максимизирует энтропию, меру случайности в системе, отражающую естественную тенденцию Вселенной переходить из состояния порядка в состояние хаоса.
|
|
|
|
«Энтропия — это, по сути, мера беспорядка, или, точнее, сколькими способами можно что-либо расположить», — сказал Вайшак Прасад, научный сотрудник в области астрономии и астрофизики в Университете штата Пенсильвания и один из авторов статьи.
|
|
|
|
«В беспорядочной комнате высокая энтропия — существует бесчисленное множество способов, которыми вещи могут быть разбросаны. В идеально чистой комнате низкая энтропия — существует лишь несколько вариантов расположения, которые можно считать «аккуратными». Природа стремится к состояниям с высокой энтропией просто потому, что их больше. Наши результаты показывают, что слияния черных дыр ведут себя аналогичным образом».
|
|
|
|
Команда разработала то, что они называют «гипотезой о максимальной энтропии для слияний черных дыр», которая поразительно похожа на обычную термодинамику.
|
|
|
|
«Когда два горячих газа приводятся в контакт, нет необходимости отслеживать каждое микроскопическое взаимодействие молекул в газах, чтобы определить конечное состояние объединенного газа», — сказал Эудженио Бьянки, профессор физики в Университете штата Пенсильвания и один из авторов статьи. «Максимизация энтропии с учетом других физических законов предсказывает результат».
|
|
|
|
Новая гипотеза команды предполагает, что аналогичный принцип может управлять слияниями черных дыр.
|
|
|
|
«Главный вывод был сделан на основе изучения того, как изменяющаяся масса и угловой момент сливающихся черных дыр соотносятся с аналогичными параметрами последовательности гипотетических вращающихся остатков черных дыр», — сказал Ринкон-Рамирес.
|
|
|
|
«Примечательно, что мы наблюдаем, что энтропия этой последовательности достигает максимума при значениях, поразительно близких к массе и угловому моменту фактического конечного остатка, предсказанных независимо с помощью численного моделирования относительности. Согласование составляет всего несколько процентов».
|
|
|
|
Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, образуя одну черную дыру, оставшаяся черная дыра, по словам исследователей, «забывает» почти все о столкновении, кроме своей массы и спина.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что наиболее естественный способ описать то, что она помнит, можно объяснить с помощью термодинамических концепций», — сказал Б.С. Сатьяпракаш, профессор физики имени Элсбаха и профессор астрономии и астрофизики в Колледже науки Эберли Пенсильванского государственного университета, руководитель исследовательской группы.
|
|
|
|
«Эта работа исследует удивительную возможность на стыке гравитации, физики черных дыр и термодинамики, которая выходит за рамки установленных законов механики черных дыр и термодинамики и поднимает потенциально революционный вопрос: может ли максимизация энтропии быть фундаментальным организующим принципом, управляющим взаимодействиями черных дыр в более общем смысле?» Помимо Ринкон-Рамирес, Джонсон-Макдэниел, Прасада, Бьянки и Сатьяпракаша, в исследовательскую группу входил Иш Гупта, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, получивший докторскую степень по физике в Университете штата Пенсильвания в 2025 году.
|
|
|
|
Источник
|
