Černé díry nestojí.
Vře, absorbují hmotu, narážejí do sebe a nakonec se vypařují do nicoty. Po půl století je fyzici považovali za statické, neměnné skály na okraji vesmíru. Ale to není pravda.
Nový výzkum z Penn State prorazil novou půdu v pochopení termodynamiky nerovnovážných černých děr tím, že opustil zastaralá pravidla ve prospěch modelu, který skutečně odpovídá realitě.
Stará pravidla fungovala pouze pro „zamrzlé“ černé díry
Tak je to s černými dírami. Jsou extrém. Neuvěřitelná gravitace. Neexistuje žádná možnost úniku.
V 70. letech nám Stephen Hawking ukázal něco zvláštního. Černé díry se řídí zákony termodynamiky. Stejná pravidla, která určují, jak taje led nebo se ochlazuje káva, řídí i tyto vesmírné propasti.
Mělo to ale háček.
“Hawkingovy zákony… mají vážné omezení,” říká Abhay Ashtekar, který vede tým v Penn State. “Byly formulovány pro černou díru v rovnovážném stavu, který se v průběhu času nemění.”
Skutečné černé díry v tomto stavu nikdy nezůstanou.
Jsou tvořeny. Splývají. Vyblednou.
Stará matematika fungovala dokonale pro hypotetickou černou díru, která sedí sama a nic nedělá. Ale Vesmír takové lidi neprodukuje.
Proč horizonty událostí leží na entropii
Entropie měří nepořádek. Druhý termodynamický zákon říká, že nikdy neklesá. Hawking tvrdil, že v černých dírách souvisí entropie s povrchem horizontu událostí. Na této hranici je gravitace tak silná, že světlo nemůže uniknout.
Zní to jednoduše. Ale není.
v čem je problém? Horizont událostí je teleologický.
To znamená, že jeho podoba závisí na budoucnosti. A ne ze současnosti. Abyste věděli, kde je právě teď horizont událostí, musíte vědět o všem, co později spadne nebo vybuchne. To nedává smysl pro sledování fyzikálních procesů v reálném čase.
„Vlastnosti nemohou být určeny pouze místní fyzikou,“ vysvětluje spoluautor Jonathan Shu. “Místo toho se spoléhají na předpovídání budoucích událostí.”
Nelze jej tedy použít k měření fyzické entropie dynamických černých děr. Metrika se přeruší ve stejném okamžiku, kdy se objekty začnou pohybovat.
Dynamické horizonty řeší problém času
Řešením je nahradit horizont událostí něčím jiným. Seznamte se: dynamické horizonty.
Nejde o žádné teoretické duchy. Jsou určeny fyzikálními vlastnostmi v jednom konkrétním okamžiku. Není třeba předpovídat budoucnost.
Nový přístup spojuje entropii přímo se dvěma věcmi:
1. Energie černé díry.
2. Jeho rotace (spin).
Je to čistší. Realističtější.
“Tyto zobecněné… principy můžeme použít k lepšímu pochopení vypařování… černých děr a slučování černých děr.” — Ashtkar
To je důležité, protože takové fúze vidíme neustále. Detektory gravitačních vln, jako je LIGO, zaznamenávají tato vlnění v časoprostoru. Ale bez přesné termodynamiky nemůžeme data plně dešifrovat. Posloucháme rozhovor, pro který ještě nemáme slova.
Změní to naše chápání gravitace?
Pravděpodobně ano.
Daniel Paraizo, jeden z autorů, si tohoto posunu všímá. První modely považovaly černé díry za objekty s nulovou teplotou a nekonečnou entropií. Nasávali energii a nedávali nic na oplátku. Vyčistěte vysavače.
Pak to Hawkingovo záření změnilo. Černé díry ztrácejí energii. Mají teplotu. Ale staré zákony rovnováhy nemohly hladce sledovat tento únik.
Nyní, s dynamickými horizonty, je možné sledovat život černé díry. Od vzniku k fúzi a odpařování. Jedna souvislá nit fyziky místo řady odpojených snímků.
Není to magie. Je to jen matematika, která konečně uznává, že změna je normou.
Vysvětlí to kvantovou gravitaci? Možná. Prozatím nám to umožňuje přestat předstírat, že černé díry jsou zamrzlé v jantaru. Jsou „živí“ v tom smyslu, na kterém záleží pro fyziku: mění systémy.
Co se stane dál, závisí na tom, jak dobře simulace obstojí.
