Być może istnieje łatwiejszy sposób opisania, w jaki sposób czarne dziury „wyciekają” energię, niż teoria zaproponowana przez Stephena Hawkinga – a nowo zasugerowany proces jest podobny do sposobu, w jaki opisujemy garnek z wrzącą wodą. Ten prosty (no cóż, stosunkowo prosty) opis można wykorzystać do modelowania czarnych dziur w wielu sytuacjach, takich jak ich powstawanie, łączenie się z innymi czarnymi dziurami, ewentualne parowanie, a nawet śmierć wybuchowa.
W latach 70. legendarny fizyk teoretyczny Stephena Hawkinga napisał list do czasopisma Nature zatytułowany „Wybuchy czarnej dziury?„wyjaśniając, w jaki sposób te obiekty mogą wyciekać promieniowanie cieplne, parować i ostatecznie implodować pod koniec swojego życia. Promieniowanie to ostatecznie stało się znane jako Promieniowanie Hawkinga.
Jednak w nowych badaniach naukowcy zaproponowali alternatywę dla promieniowania Hawkinga. Polega na opisaniu wzrostu nieuporządkowania, czyli entropii, czarnych dziur. Na przykład wrzącą wodę często opisuje się również na podstawie wzrostu jej entropii. W przypadku czarnych dziur ta miara entropii jest powiązana z takimi cechami, jak spin i energia, co oznacza, że można ją wykorzystać do zrozumienia, w jaki sposób kosmiczni tytani reagują na różne zdarzenia.
„Prawa Hawkinga dotyczące mechaniki czarnych dziur zapewniły satysfakcjonujące połączenie między fizyką ekstremalną a zwykłą fizyką i stanowią paradygmat od 50 lat, mają jednak poważne ograniczenia” – powiedział kierownik zespołu Abhay Ashtekar z Eberly College of Science na Penn State University w oświadczeniu. „Sformułowano je dla czarnych dziur znajdujących się w równowadze – czyli niezmieniających się w czasie – ale czarne dziury nieustannie się zmieniają; tworzą się, łączą i ostatecznie wyparowują. Chcieliśmy znaleźć sposób na pokonanie tego ograniczenia i rozszerzenie tych praw na czarne dziury, które są poza równowagą”.
Czarne dziury, Einstein i Hawking
Aby zbadać pochodzenie czarnych dziur, trzeba cofnąć się do najsłynniejszego fizyka w historii (przepraszam, Hawking, jesteś numer dwa), Alberta Einsteina.
W 1915 roku Einstein ujawnił swoją teorię grawitacji, ogólna teoria względności. Jedną z konsekwencji równań leżących u podstaw tej teorii była możliwość a osobliwośćpunkt, w którym równania ogólnej teorii względności dążą do nieskończoności. To reprezentuje serce czarnej dziury.
Inną konsekwencją ogólnych równań teorii względności jest obszar przestrzeni wokół tej osobliwości, w którym grawitacja jest tak ekstremalna, że prędkość ucieczki z tego obszaru wzrasta do wartości większej niż prędkość światła. Region ten to przechwytująca światło zewnętrzna granica czarnej dziury, znana jako horyzont zdarzeńco uniemożliwia nam dostrzeżenie osobliwości w sercu czarnej dziury i otrzymanie od niej informacji. W rzeczywistości aż do pracy Hawkinga w 1974 r. właśnie dlatego sugerowano, że nic nie może uciec przed czarną dziurą.
„Prawa mechaniki czarnych dziur wywodzą się bezpośrednio z równań Einsteina” – powiedział członek zespołu Daniel E. Paraizo, absolwent fizyki na Penn State. „Ponieważ czarnej dziury nie można zajrzeć, wydawało się, że może istnieć nieskończona liczba sposobów na utworzenie czarnej dziury, dzięki czemu jej entropia również będzie nieskończona. Uważano również, że pochłaniają tylko energię i nigdy nie promieniują, więc ich temperatura wynosiła zero”.
Jednak pojawienie się promieniowania Hawkinga nieco zmieniło ten paradygmat. Sugerując, że czarne dziury w rzeczywistości emitują energię cieplną, Hawking zdefiniował je na nowo w taki sposób, że nagle prawa termodynamiki można zastosować do czarnych dziur.
„To zmieniło sposób myślenia o termodynamicznych właściwościach czarnych dziur z koncepcji matematycznej opisanej za pomocą równań na rzeczywistość fizyczną” – powiedział Paraizo. „To otworzyło drzwi do znalezienia analogii w czarnych dziurach pod względem entropii i temperatury stosowanych w termodynamice”.
W przepisie Hawkinga na czarne dziury powierzchnia horyzontu zdarzeń jest proporcjonalna do jej temperatury i entropii i odwrotnie proporcjonalna do jej masy i spinu.
„Jest jednak problem” – stwierdził w oświadczeniu członek zespołu Jonathan Shu, również z Penn State. „Te analogie naprawdę działają tylko w przypadku czarnej dziury, która jest w równowadze. W sytuacjach dynamicznych horyzonty zdarzeń mogą tworzyć się i rosnąć w tak zwanych płaskich obszarach czasoprzestrzeni, gdzie nic się nie dzieje”.
Shu dodał, że konsekwencją tego jest to, że właściwości czarnych dziur nie można określić wyłącznie na podstawie lokalnej fizyki czarnej dziury. Zamiast tego określanie właściwości czarnych dziur opiera się na przewidywaniu zdarzeń, które mogą, ale nie muszą, nastąpić w przyszłości.
„Dlatego obszar horyzontów zdarzeń nie może być miarą fizycznej entropii dynamicznych czarnych dziur” – argumentuje Shu. „Jeśli chcemy zrozumieć, że czarne dziury rosną, parują i łączą się, potrzebujemy realnej alternatywy”.
Dla zespołu oznaczało to zastąpienie horyzontu zdarzeń czarnej dziury czymś, co nazywają „horyzontem dynamicznym”, używanym już podczas symulacji czarnych dziur przez naukowców. Teraz pierwszą zasadę termodynamiki – która stwierdza, że energia układu zamkniętego nie może zostać wytworzona ani zniszczona, a jedynie może zmieniać formę – można zastosować do czarnych dziur, nawet jeśli biorą one udział w aktach dynamicznych. Oznacza to również, że czarne dziury podlegają tzw druga zasada termodynamikico mówi, że całkowita entropia izolowanego układu zawsze będzie rosła z czasem, podczas ich narodzin, łączenia i śmierci.
„To pozwala nam rozszerzyć pierwszą i drugą zasadę termodynamiki na czarne dziury, które nie są w równowadze, przezwyciężając w ten sposób ograniczenia paradygmatu stosowanego od ponad pół wieku” – powiedział Ashtekar. „Możemy zastosować te uogólnione prawa, aby lepiej zrozumieć parujące czarne dziury w teorii kwantowej i łączenie się czarnych dziur”.
Wyniki badań zespołu opublikowano w czerwcu w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
