Чорні дірки не стоять на місці.
Вони вирують, поглинають речовину, стикаються один з одним і зрештою випаровуються, перетворюючись на ніщо. Протягом півстоліття фізики розглядали їх як статичні, постійні скелі на краю всесвіту. Але це не так.
Нове дослідження з Пенсільванського державного університету (Penn State) відкрило нові горизонти у розумінні термодинаміки чорних дірок, що знаходяться поза рівновагою, відмовившись від застарілих правил на користь моделі, яка дійсно відповідає реальності.
Старі правила працювали тільки для «заморожених» чорних дірок
Ось у чому справа з чорними дірками. Вони крайність. Неймовірна гравітація. Відсутня можливість порятунку.
У 1970-х роках Стівен Хокінг показав нам щось дивне. Чорні дірки підпорядковуються законам термодинаміки. Ті ж самі правила, які визначають, як тане лід або остигає каву, сіточки також керують цими космічними прірвами.
Але тут була каверза.
«Закони Хокінга… мають серйозне обмеження, — каже Абах Ашткар (Abhay Ashtekar), який очолює команду Penn State. — Вони були сформульовані для чорної дірки у стані рівноваги, яка не змінюється з часом».
Реальні чорні дірки ніколи не залишаються у такому стані.
Вони утворюються. Вони зливаються. Вони згасають.
Стара математика ідеально працювала для гіпотетичної чорної дірки, яка сидить на самоті і нічого не робить. Але Всесвіт таких не видає.
Чому горизонти подій брешуть про ентропію
Ентропія вимірює безладдя. Другий закон термодинаміки говорить, що вона ніколи не зменшується. Хокінг стверджував, що в чорних дірах ентропія пов’язана з площею поверхні горизонту подій. Ця межа – місце, де гравітація стає настільки сильною, що світло не може вирватися назовні.
Звучить просто. Але такою не є.
У чому проблема? Обрій подій є телеологічним.
Це означає, що його форма залежить від майбутнього. А не від сьогодення. Щоб знати, де знаходиться обрій подій прямо зараз, потрібно знати про все, що впаде всередину або вибухне пізніше. Це немає сенсу для відстеження фізичних процесів у часі.
“Властивості не можуть визначатися виключно локальною фізикою”, – пояснює співавтор Джонатан Шу (Jonathan Shu). «Натомість вони спираються на передбачення майбутніх подій».
Тому його не можна використовувати для вимірювання фізичної ентропії динамічних чорних дірок. Метрика ламається тоді, коли об’єкти починають рухатися.
Динамічні горизонти вирішують проблему часу
Рішення полягає у заміні горизонту подій на щось інше. Зустрічайте: динамічні горизонти.
Це не теоретичні привиди. Вони визначаються фізичними властивостями в один момент часу. Пророкувати майбутнє не потрібно.
Новий підхід пов’язує ентропію безпосередньо з двома речами:
1. Енергією чорної дірки.
2. Її обертанням (спином).
Це чистіше. Реалістичніше.
«Ми можемо застосовувати ці узагальнені… принципи для кращого розуміння чорних дір, що випаровуються, і злиття чорних дір». – Ашткар
Це важливо, тому що ми спостерігаємо такі злиття постійно. Детектори гравітаційних хвиль, такі як LIGO, фіксують ці брижі в просторі-часі. Але без точної термодинаміки ми можемо повністю розшифрувати дані. Ми слухаємо розмову, для якої ми ще не маємо слів.
Чи змінює це наше уявлення про гравітацію?
Мабуть, так.
Даніель Параїцо (Daniel Paraizo), один із авторів, відзначає це зрушення. У ранніх моделях чорні діри розглядалися як об’єкти з нульовою температурою та нескінченною ентропією. Вони поглинали енергію і нічого не віддавали натомість. Чисті пилососи.
Потім випромінювання Хокінга змінило це. Чорні дірки втрачають енергію. Вони мають температуру. Але старі закони рівноваги не могли плавно відстежити цей витік.
Тепер, з динамічними обріями, можна простежити життя чорної дірки. Від освіти до злиття та випаровування. Одна безперервна нитка фізики замість серії розрізнених знімків.
Не магія. Це просто математика, яка нарешті визнає, що зміна – це норма.
Чи це пояснить квантову гравітацію? Можливо. Поки що це дозволяє нам перестати вдавати, що чорні дірки застигли в бурштині. Вони «живі» в тому сенсі, що має значення для фізики: це системи, що змінюються.
Що відбудеться далі залежить від того, наскільки добре витримають перевірку симуляції.
