Исследователи из Пенсильванского университета предложили принципиально новый подход к описанию черных дыр, способный преодолеть фундаментальное ограничение знаменитых законов Стивена Хокинга. Разработанная ими обновленная концепция термодинамики черных дыр, как утверждается, функционирует даже в тех случаях, когда эти космические объекты претерпевают изменения во времени, что открывает путь к более глубокому пониманию процессов их слияния и испарения.
Черные дыры, представляющие собой одни из наиболее экстремальных образований во Вселенной, концентрируют колоссальные массы в сверхкомпактных областях, порождая гравитацию столь мощную, что она не отпускает даже свет. Для осмысления природы этих объектов физики традиционно опираются на теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. В начале 1970-х годов Стивен Хокинг совместно с другими учеными обнаружил поразительную аналогию между законами термодинамики, описывающими, к примеру, нагревание воды, и поведением черных дыр.
«Законы механики черных дыр Хокинга представляют собой чрезвычайно удовлетворительную связь между экстремальной и обычной физикой, оставаясь парадигмой на протяжении 50 лет, однако у них есть серьезное ограничение», — пояснил Абхай Аштекар, профессор Университета Атертона и почетный профессор физики Эвана Пью в Научном колледже Эберли Пенсильванского университета, возглавляющий исследовательскую группу. «Они были разработаны для черных дыр, находящихся в равновесии, то есть неизменных во времени, но в реальности черные дыры постоянно эволюционируют: они поглощают материю, сливаются и в конечном итоге испаряются. Мы стремились найти способ преодолеть это ограничение и распространить действие законов на черные дыры, находящиеся вне равновесия».
Аштекар и его коллеги предложили инновационный метод определения энтропии черных дыр — величины, характеризующей степень беспорядка в системе, которая, согласно второму закону термодинамики, никогда не может уменьшаться. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters и отмеченная редакцией как значимая, представляет меру энтропии, учитывающую более сильное влияние вращения и электрического заряда на динамику черных дыр. Исследователи полагают, что это может существенно улучшить понимание учеными таких ключевых событий, как слияние и выделение энергии черными дырами.
Почему фреймворку Хокинга потребовалось обновление
«Законы механики черных дыр вытекают непосредственно из общей теории относительности Эйнштейна», — отметил Дэниел Э. Параизо, аспирант физики Пенсильванского университета и соавтор статьи. «Поскольку невозможно заглянуть за горизонт событий черной дыры, казалось, что может существовать бесконечное множество способов ее формирования, делающее ее энтропию бесконечной. Также считалось, что они только поглощают вещество и никогда не излучают, поэтому их температура была равна нулю».
Первоначально представления о черных дырах казались несовместимыми с привычными законами термодинамики, так как предполагалось, что они обладают бесконечной энтропией и отсутствием температуры. Позднее Хокинг изменил эту картину, применив квантовую механику и сделав вывод о том, что черные дыры способны излучать частицы и, следовательно, обладают температурой.
«Это кардинально изменило восприятие термодинамических свойств черных дыр, превратив их из своего рода математической абстракции, описываемой уравнениями, в физическую реальность», — добавил Параизо. «Это открыло дверь для поиска аналогов энтропии и температуры у черных дыр в контексте термодинамики».
Хокинг предположил, что размер горизонта событий черной дыры — границы, за которую не может выйти даже свет, — пропорционален ее энтропии. Он также продемонстрировал, что температура такой дыры зависит от ее массы и скорости вращения.
Лучшее измерение движущих черных дыр
Однако, как отмечают исследователи, ключевая проблема заключается в том, что подход Хокинга эффективен лишь для черных дыр, находящихся в состоянии равновесия. «Эти аналоги действительно работают только для черных дыр, пребывающих в равновесии», — подчеркнул Джонатан Шу, аспирант физики Пенсильванского университета и соавтор статьи. «В динамически развивающихся, неравновесных условиях, когда черные дыры растут, сливаются или испаряются, традиционные законы перестают быть применимыми».
ожившихся горизонтах события могут формироваться и расти в так называемых плоских регионах пространства-времени, где ничего не происходит. Это делает их телеологическими — их свойства не могут быть зафиксированы только локальной физикой черных дыр, а вместо этого полагаются на предсказания событий, которые могут или не могут произойти в будущем. Следовательно, площадь горизонта событий не может быть мерой физической энтропии движения черных дыр. Если мы хотим понять черные дыры, которые раскрываются, испаряются и сливаются, нам нужна надежная альтернатива».
Решение команды заменяет горизонт событий тем, что физики называют «динамическим горизонтом». концепция, уже широко используемая в компьютерном моделировании черных дыр. В отличие от горизонта событий, динамический горизонт образует эти дыры в текущий момент времени, что позволяет избежать сложностей, возникающих при использовании будущих событий.
«Это позволяет нам распространить первый и второй законы термодинамики на черные дыры, которые не развиваются в равновесии, тем самым переходным ограничением парадигмы, которая использовалась более полувека»,» — сказал Аштекар. «Мы можем применить эти обобщенные законы, чтобы лучше понять возникновение черных дыр в квантовой теории и слияния черных дыр, подобных тем, которые были обнаружены совместной работой LIGO-Virgo-KAGRA с использованием гравитационных волн».
Исследование проводилось при поддержке Профессорской программы пенсильвания штата Атертона и Научного колледжа пенсильвания штата в Эберли.