Черные дыры не стоят на месте.
Они бурлят, поглощают вещество, сталкиваются друг с другом и в конечном итоге испаряются, превращаясь в ничто. На протяжении полувека физики рассматривали их как статичные, неизменные скалы на краю вселенной. Но это неверно.
Новое исследование из Пенсильванского государственного университета (Penn State) открыло новые горизонты в понимании термодинамики черных дыр, находящихся вне равновесия, отказавшись от устаревших правил в пользу модели, которая действительно соответствует реальности.
Старые правила работали только для «замороженных» черных дыр
Вот в чем дело с черными дырами. Они — крайность. Невероятная гравитация. Отсутствует возможность спасения.
В 1970-х годах Стивен Хокинг показал нам нечто странное. Черные дыры подчиняются законам термодинамики. Те же самые правила, которые определяют, как тает лед или остывает кофе,似乎 также управляют этими космическими безднами.
Но тут была подвох.
«Законы Хокинга… имеют серьезное ограничение, — говорит Абах Ашткар (Abhay Ashtekar), возглавляющий команду в Penn State. — Они были сформулированы для черной дыры в состоянии равновесия, которая не меняется со временем».
Реальные черные дыры никогда не остаются в таком состоянии.
Они образуются. Они сливаются. Они затухают.
Старая математика идеально работала для гипотетической черной дыры, которая сидит в одиночестве и ничего не делает. Но Вселенная таких не выдает.
Почему горизонты событий врут об энтропии
Энтропия измеряет беспорядок. Второй закон термодинамики гласит, что она никогда не уменьшается. Хокинг утверждал, что в черных дырах энтропия связана с площадью поверхности горизонта событий. Эта граница — место, где гравитация становится настолько сильной, что свет не может вырваться наружу.
Звучит просто. Но таковым не является.
В чем проблема? Горизонт событий является телеологичным.
Это означает, что его форма зависит от будущего. А не от настоящего. Чтобы знать, где находится горизонт событий прямо сейчас, нужно знать обо всем, что упадет внутрь или взорвется позже. Это не имеет смысла для отслеживания физических процессов в реальном времени.
«Свойства не могут определяться исключительно локальной физикой», — объясняет соавтор Джонатан Шу (Jonathan Shu). «Вместо этого они опираются на предсказание будущих событий».
Поэтому его нельзя использовать для измерения физической энтропии динамических черных дыр. Метрика ломается в тот же момент, когда объекты начинают двигаться.
Динамические горизонты решают проблему времени
Решение заключается в замене горизонта событий на что-то иное. Встречайте: динамические горизонты.
Это не теоретические призраки. Они определяются физическими свойствами в один конкретный момент времени. Предсказывать будущее не нужно.
Новый подход связывает энтропию напрямую с двумя вещами:
1. Энергией черной дыры.
2. Ее вращением (спином).
Это чище. Более реалистично.
«Мы можем применять эти обобщенные… принципы для лучшего понимания испаряющихся… черных дыр и слияний черных дыр». — Ашткар
Это важно, потому что мы наблюдаем такие слияния постоянно. Детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, фиксируют эти ряби в пространстве-времени. Но без точной термодинамики мы не можем полностью расшифровать данные. Мы слушаем разговор, для которого у нас еще нет слов.
Меняет ли это наше представление о гравитации?
Вероятно, да.
Даниэль Параицо (Daniel Paraizo), один из авторов, отмечает этот сдвиг. В ранних моделях черные дыры рассматривались как объекты с нулевой температурой и бесконечной энтропией. Они поглощали энергию и ничего не отдавали взамен. Чистые пылесосы.
Затем излучение Хокинга изменило это. Черные дыры теряют энергию. У них есть температура. Но старые законы равновесия не могли плавно отследить эту утечку.
Теперь, с динамическими горизонтами, можно проследить жизнь черной дыры. От образования до слияния и испарения. Одна непрерывная нить физики вместо серии разрозненных снимков.
Это не магия. Это просто математика, которая наконец-то признает, что изменение — это норма.
Объяснит ли это квантовую гравитацию? Возможно. Пока же это позволяет нам перестать притворяться, что черные дыры застыли в янтаре. Они «живы» в том смысле, который имеет значение для физики: это изменяющиеся системы.
Что произойдет дальше, зависит от того, насколько хорошо выдержат проверку симуляции.
