Οι επιστήμονες έχουν προτείνει έναν νέο τρόπο για να περιγράψουν τις μαύρες τρύπες που μπορεί να ξεπεράσουν έναν σημαντικό περιορισμό μιας από τις πιο σημαίνουσες ιδέες του Stephen Hawking. Η έρευνα εισάγει μια ενημερωμένη προσέγγιση στη θερμοδυναμική της μαύρης τρύπας που λειτουργεί ακόμη και όταν οι μαύρες τρύπες αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, παρέχοντας πιθανώς νέες ιδέες για το πώς σχηματίζονται, συνενώνονται και αργά εξατμίζονται.
Οι μαύρες τρύπες είναι από τα πιο ακραία αντικείμενα στο γνωστό σύμπαν. Συμπιέζουν τεράστιες ποσότητες μάζας σε μια απίστευτα μικρή περιοχή, κάνοντας τη βαρύτητα τόσο έντονη που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Για να κατανοήσουν αυτά τα κοσμικά αντικείμενα, οι φυσικοί βασίζονται στη θεωρία της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής του Αϊνστάιν.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο Stephen Hawking και άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν εκπληκτικές συνδέσεις μεταξύ των νόμων της θερμοδυναμικής, οι οποίοι περιγράφουν γνωστές διαδικασίες όπως η θέρμανση του νερού σε μια σόμπα και τη συμπεριφορά των μαύρων τρυπών.
«Οι νόμοι του Χόκινγκ για τη μηχανική της μαύρης τρύπας παρέχουν μια ικανοποιητική σύνδεση μεταξύ της ακραίας και της συνηθισμένης φυσικής και αποτελούν παραδείγματα εδώ και 50 χρόνια, αλλά έχουν σοβαρό περιορισμό», δήλωσε ο Abhay Ashtekar, καθηγητής του Πανεπιστημίου Atherton και ομότιμος καθηγητής φυσικής στο Eberly College of Science και ο Evan Pugh, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας του Penn State. “Διατυπώθηκαν για μαύρες τρύπες σε ισορροπία ή αμετάβλητες με την πάροδο του χρόνου, αλλά οι μαύρες τρύπες αλλάζουν συνεχώς, σχηματίζονται, συγχωνεύονται και τελικά εξατμίζονται. Θέλαμε να βρούμε έναν τρόπο να ξεπεράσουμε αυτόν τον περιορισμό και να επεκτείνουμε τον νόμο σε μαύρες τρύπες που είναι εκτός ισορροπίας.”
Ο Ashtekar και οι συνεργάτες του έχουν τώρα προτείνει μια νέα μέθοδο για τον προσδιορισμό της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας, μια ποσότητα που μετρά την αταξία και, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν Επιστολή φυσικής αναθεώρησης Και όπως πρότεινε ένας συντάκτης, εισαγάγετε ένα μέτρο εντροπίας που σχετίζεται πιο στενά με το σπιν και την ενέργεια μιας μαύρης τρύπας. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την κατανόηση των επιστημόνων για δυναμικά φαινόμενα όπως οι συγχωνεύσεις και η εξάτμιση μαύρων τρυπών.
Γιατί το πλαίσιο του Χόκινγκ χρειάζεται ενημέρωση
«Οι νόμοι της μηχανικής της μαύρης τρύπας προέρχονται απευθείας από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν», είπε ο Daniel E. Paraiso, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο Penn State και συγγραφέας της εργασίας. “Εφόσον δεν μπορείτε να δείτε μια μαύρη τρύπα, φαινόταν ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν άπειροι τρόποι για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα που έκανε επίσης την εντροπία τους άπειρη. Απορρόφησαν μόνο ενέργεια και δεν ακτινοβολούσαν ποτέ, οπότε η θερμοκρασία τους ήταν μηδέν.”
Στην αρχή, αυτές οι ιδέες έκαναν τις μαύρες τρύπες να φαίνονται ασυμβίβαστες με τους γνωστούς νόμους της θερμοδυναμικής επειδή φαινόταν να έχουν άπειρη εντροπία και χωρίς θερμοκρασία. Ο Χόκινγκ αργότερα άλλαξε αυτή την εικόνα χρησιμοποιώντας την κβαντική μηχανική για να δείξει ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να εκπέμπουν σωματίδια και ενέργεια.
«Άλλαξε τη σκέψη για τις θερμοδυναμικές ιδιότητες των μαύρων τρυπών από ένα είδος μαθηματικής έννοιας που περιγράφεται με εξισώσεις σε μια πιο φυσική πραγματικότητα», είπε ο Paraiso. «Αυτό ανοίγει την πόρτα για την εύρεση αναλογιών στην εντροπία και στις μαύρες τρύπες θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται στη θερμοδυναμική».
Ο Χόκινγκ πρότεινε ότι το μέγεθος του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, το όριο πέρα από το οποίο ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει, είναι ανάλογο της εντροπίας της. Έδειξε επίσης ότι η θερμοκρασία μιας μαύρης τρύπας εξαρτάται από τον συνδυασμό της μάζας και της περιστροφής της.
Ένα καλό μέτρο για δυναμικές μαύρες τρύπες
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το πρόβλημα είναι ότι η μέθοδος του Χόκινγκ λειτουργεί μόνο όταν μια μαύρη τρύπα βρίσκεται σε ισορροπία.
«Υπάρχει ένα πρόβλημα, ωστόσο», είπε ο Jonathan Shu, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο Penn State και συγγραφέας της εργασίας. “Αυτές οι αναλογίες λειτουργούν μόνο για μια μαύρη τρύπα που βρίσκεται σε ισορροπία. Σε δυναμικές συνθήκες, ορίζοντες γεγονότων μπορούν να σχηματιστούν και να αναπτυχθούν σε αυτό που ονομάζουμε επίπεδες περιοχές του χωροχρόνου, όπου δεν συμβαίνει τίποτα. Αυτό τις κάνει τελεολογικές — οι ιδιότητές τους δεν μπορούν να προσδιοριστούν μόνο από την τοπική φυσική της μαύρης τρύπας, αλλά εξαρτώνται από προβλέψεις μελλοντικών γεγονότων ή γεγονότων. είναι αν καταλάβουμε ότι οι μαύρες τρύπες αυξάνονται, εξατμίζονται και συγχωνεύονται, τότε χρειαζόμαστε μια βιώσιμη εναλλακτική».
Η λύση της ομάδας αντικαθιστά τον παραδοσιακό ορίζοντα γεγονότων με αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν «δυναμικό ορίζοντας», μια έννοια που χρησιμοποιείται ήδη ευρέως σε προσομοιώσεις μαύρων τρυπών σε υπολογιστή. Σε αντίθεση με έναν ορίζοντα γεγονότων, ένας δυναμικός ορίζοντας ορίζεται από τα χαρακτηριστικά μιας μαύρης τρύπας σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, αποφεύγοντας τις επιπλοκές που προκαλούνται από ανάλογα μελλοντικά γεγονότα.
«Αυτό μας επιτρέπει να επεκτείνουμε τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής σε μαύρες τρύπες χωρίς ισορροπία, ξεπερνώντας έτσι τους περιορισμούς του παραδείγματος που χρησιμοποιήθηκε για περισσότερο από μισό αιώνα», λέει ο Ashtekar. «Μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτούς τους γενικούς νόμους για να κατανοήσουμε καλύτερα τις εξατμιζόμενες μαύρες τρύπες στην κβαντική θεωρία και τις συγχωνεύσεις μαύρων οπών, όπως ανιχνεύθηκε από τη συνεργασία LIGO-Virgo-KAGRA χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα».
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Penn State Atherton Professorship Program και το Penn State Eberly College of Science.
