Czarne dziury nie stoją w miejscu.
Kipią, pochłaniają materię, zderzają się ze sobą i ostatecznie wyparowują w nicość. Przez pół wieku fizycy postrzegali je jako statyczne, niezmienne skały na krańcach Wszechświata. Ale to nie jest prawdą.
Nowe badania przeprowadzone przez Penn State otworzyły nowe możliwości w zrozumieniu termodynamiki czarnych dziur znajdujących się poza równowagą poprzez porzucenie przestarzałych zasad na rzecz modelu, który faktycznie pasuje do rzeczywistości.
Stare zasady działały tylko w przypadku „zamrożonych” czarnych dziur
Tak właśnie jest z czarnymi dziurami. Są skrajnością. Niesamowita powaga. Nie ma możliwości ucieczki.
W latach 70. Stephen Hawking pokazał nam coś dziwnego. Czarne dziury podlegają prawom termodynamiki. Te same zasady, które określają sposób topienia lodu lub schładzania kawy, rządzą również tymi kosmicznymi otchłaniami.
Ale był haczyk.
„Prawa Hawkinga… mają poważne ograniczenia” – mówi Abhay Ashtekar, który kieruje zespołem w Penn State. „Sformułowano je dla czarnej dziury w stanie równowagi, który nie zmienia się w czasie.”
Prawdziwe czarne dziury nigdy nie pozostają w tym stanie.
Tworzą się. Łączą się. Zanikają.
Stara matematyka sprawdzała się doskonale w przypadku hipotetycznej czarnej dziury, która znajduje się samotnie i nic nie robi. Ale Wszechświat nie produkuje takich ludzi.
Dlaczego horyzonty zdarzeń kłamią na temat entropii
Entropia mierzy nieporządek. Druga zasada termodynamiki mówi, że wartość ta nigdy nie maleje. Hawking argumentował, że w czarnych dziurach entropia jest powiązana z powierzchnią horyzontu zdarzeń. Ta granica to miejsce, w którym grawitacja staje się tak silna, że światło nie może uciec.
Brzmi prosto. Ale tak nie jest.
Jaki jest problem? Horyzont zdarzeń ma charakter teleologiczny.
Oznacza to, że jego kształt zależy od przyszłości. I nie z teraźniejszości. Aby wiedzieć, gdzie jest teraz horyzont zdarzeń, musisz wiedzieć o wszystkim, co spadnie lub eksploduje później. Nie ma to sensu w przypadku śledzenia procesów fizycznych w czasie rzeczywistym.
„Właściwości nie można określić wyłącznie na podstawie lokalnej fizyki” – wyjaśnia współautor Jonathan Shu. „Zamiast tego polegają na przewidywaniu przyszłych wydarzeń”.
Dlatego nie można go używać do pomiaru fizycznej entropii dynamicznych czarnych dziur. Metryka załamuje się w tym samym momencie, gdy obiekty zaczynają się poruszać.
Dynamiczne horyzonty rozwiązują problem czasu
Rozwiązaniem jest zastąpienie horyzontu zdarzeń czymś innym. Poznaj: dynamiczne horyzonty.
To nie są duchy teoretyczne. Są one określane na podstawie właściwości fizycznych w jednym określonym momencie. Nie ma potrzeby przewidywać przyszłości.
Nowe podejście wiąże entropię bezpośrednio z dwiema rzeczami:
1. Energia czarnej dziury.
2. Jego obrót (spin).
Jest czyściej. Bardziej realistyczne.
„Możemy zastosować te uogólnione… zasady, aby lepiej zrozumieć parowanie… czarnych dziur i łączenie się czarnych dziur”. — Asztkar
To ważne, bo tego typu fuzje obserwujemy cały czas. Detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO, rejestrują te zmarszczki w czasoprzestrzeni. Jednak bez dokładnej termodynamiki nie możemy w pełni rozszyfrować danych. Słuchamy rozmowy, na którą nie mamy jeszcze słów.
Czy to zmienia nasze rozumienie grawitacji?
Prawdopodobnie tak.
Daniel Paraizo, jeden z autorów, zauważa tę zmianę. Wczesne modele traktowały czarne dziury jako obiekty o zerowej temperaturze i nieskończonej entropii. Pochłaniały energię i nie dawały nic w zamian. Wyczyścić odkurzacze.
Potem promieniowanie Hawkinga to zmieniło. Czarne dziury tracą energię. Mają temperaturę. Ale stare prawa równowagi nie mogły płynnie śledzić tego wycieku.
Teraz, dzięki dynamicznym horyzontom, możliwe jest prześledzenie życia czarnej dziury. Od formowania do topnienia i parowania. Jeden ciągły wątek fizyki zamiast serii niepołączonych migawek.
To nie magia. To tylko matematyka w końcu uznaje, że zmiana jest normą.
Czy to wyjaśni grawitację kwantową? Może. Na razie pozwala nam to przestać udawać, że czarne dziury są zamrożone w bursztynie. Są „żywe” w tym sensie, który ma znaczenie dla fizyki: zmieniają systemy.
To, co stanie się dalej, zależy od tego, jak dobrze symulacje się sprawdzą.
