Dinaminiai horizontai: naujas juodųjų skylių entropijos matas

Įsivaizduokite įstatymą, kuris veikia tik tada, kai niekas nesikeičia. Tai būtų keista meteorologijoje, ir dar įspūdingiau juodųjų skylių fizikoje, objektuose, apibrėžtuose ekstremaliais pokyčiais: susidūrimais, staigiais augimo šuoliais, lėtu išgarinimu. Penkiasdešimt metų vadovėlių pasakojimas, kilęs 1970-aisiais iš Stepheno Hawkingo ir kitų, siejo juodąsias skyles su termodinamika, naudodamas įvykių horizonto plotą kaip entropijos atitikmenį. Elegantiška. Galinga. Bet neišsami.

Juodosios skylės iliustracija, kuri auga reaguodama į energijos priemaišą. Nauji Penn State moksliniai tyrimai siūlo naują juodosios skylės entropijos matą, kuris praplečia Stepheno Hawkingo juodųjų skylių mechanikos dėsnius taip, kad jie galioja ir ne pusiausvyros, dinamiškoms juodosioms skylėms, kurios formuojasi, susijungia ir garuoja. 

Kai pusiausvyra tampa problema

Juodųjų skylių termodinamika kilo iš paradokso. Klasikinė bendroji reliatyvumo teorija atrodė reikalaujanti, kad juodosios skylės galėtų tik sugerti ir niekada neišskirti, taigi jų temperatūra būtų nulinė, o entropija neapibrėžta arba begalinė. Tada Hawkingas parodė, kad kvantiniai efektai leidžia juodosioms skylėms spinduliuoti. Temperatūra ir entropija vėl tapo prasmingomis ir buvo susietos su geometrija: horizonto plotas prilygintas entropijai; paviršiaus jėga prilyginta temperatūrai. Rezultatas sujungė du fiziką kertinius principus.

Tačiau slypėjo rimta pastaba. Tos sąsajos buvo išvestos prielaida, kad egzistuoja pusiausvyra. Kitaip tariant, jos galioja, kai juodoji skylė nejuda. Tai rimtas apribojimas. Tikros juodosios skylės retai būna statiškos. Jos maitina dujas, susiduria su kitomis juodosiomis skylėmis ir lėtai praranda masę per kvantinę radiaciją. Matematinis objektas, esantis Hawkingo vaizdinyje, įvykių horizontas, yra apibrėžtas globaliai erdvė-laike. Jo vieta gali priklausyti nuo to, kas įvyks toli ateityje. Tai daro jį teleologiniu: kad apibūdintum dabartį, turi žinoti ateitį.

„Hawkingo juodųjų skylių mechanikos dėsniai suteikė patenkinamą ryšį tarp ekstremalios ir įprastos fizikos ir buvo paradigma 50 metų, bet jie turi rimtą ribotumą,“ sakė Abhay Ashtekar, Atherton universiteto profesorius ir Evan Pugh fizikos profesorius emeritas Pensilvanijos valstijos universitete. „Jie suformuluoti juodosioms skylėms pusiausvyros būsenoje, tačiau juodosios skylės nuolat keičiasi. Mes siekėme rasti būdą, kaip išplėsti dėsnius taip, kad jie galėtų apimti ne pusiausvyros būsenas.“

Vietinis pasirinkimas: dinamiški horizontai

Ką jei entropija būtų siejama su paviršiumi, apibrėžtu lokalia fizika tam tikru momento tašku? Tai kelias, kuriuo pasuko Ashtekaro vadovaujama komanda ir apie kurį pranešta žurnale Physical Review Letters. Vietoj to, kad pasikliautų įvykių horizontu, galinčiu priklausyti nuo ateities įvykių, jie siūlo naudoti dinamiškus horizontus. Tai paviršiai, nustatomi pagal tiesioginę aplink juodąją skylę esančią geometriją ir materijos turinį. Jie elgiasi kaip horizontai skaitmeninėse modeliuotėse ir tiesiogiai reaguoja į krintančią energiją, kampinį momentą ir spinduliavimą.

Kodėl tai svarbu? Nes dinamiškas horizontas gali būti lokalizuotas naudodamas dabar prieinamą informaciją. Tam nereikia pranašauti. Tai pašalina teleologinį nepatogumą ir atveria kelią termodinaminiam apskaitos metodui, veikiantį, kol juodoji skylė auga, susijungia arba garuoja.

Daniel Paraizo, absolventas ir bendraautoris, paaiškino perspektyvos poslinkį: „Kadangi negalite matyti į juodąją skylę, atrodė, jog būtų begalinis būdų, kaip suformuoti juodąją skylę, o tai padarytų jų entropiją begaline. Hawkingo spinduliacija pakeitė šį vaizdą ir suteikė entropijai bei temperatūrai fizinį prasmės pagrindą. Mūsų darbas eina toliau, pririšdamas entropiją prie kiekių, kurie yra išmatuojami konkrečiu laiku.“

Kaip matuojama naujoji entropija

Atnaujintas apibrėžimas susieja entropiją tiesiau su juodosios skylės energija ir sukimu. Praktikoje metodas seka, kaip dinamiško horizonto ploto pokytis atsako į įeinančius masės-energijos ir kampinio momento srautus, sudarydamas generalizuotą pirmąjį juodųjų skylių mechanikos dėsnį ne pusiausvyros sąlygoms. Antrasis dėsnis, teigiantis, kad entropija mažėti negali, taip pat natūraliai išplėčiamas šioje sistemoje.

Jonathan Shu, kitas projekto absolventas, pabrėžė specifinį techninį pranašumą. „Įvykių horizontai gali susiformuoti ir išsiplėsti erdvė-laiko regionuose, kur lokaliai nieko nevyksta,“ jis pastebėjo. „Tai daro juos netinkamus kaip fizinį entropijos matą dinamiškoms juodosioms skylėms. Dinamiški horizontai išvengia šios problemos, nes jie apibrėžiami lokaliai.“

Konceptualiu lygiu tai tvarkingas sprendimas. Praktiniu lygiu tai reikšminga. Skaitmeninės reliatyvumo programos, modeliuojančios juodųjų skylių susidūrimus, jau naudoja kiekius, panašius į dinamiškus horizontus. Penn State pasiūlymas perkelia termodinaminę kalbą ant tų pačių kiekių, palengvindamas entropijos pusiausvyros interpretavimą per susijungimus, kuriuos aptinka gravitacinių bangų observatorijos.

Pasekmės gravitacinėms bangoms ir kvantinei evaporacijai

Gravitacinių bangų astronomija padarė juodųjų skylių susijungimus empiriniais. Kai LIGO ir jo partneriai užregistruoja dviejų juodųjų skylių įspiralą ir susijungimą, jie išmatuoja mases ir sukimus prieš ir po įvykio. Tačiau aiškinant, kaip termodinaminiai analogai keičiasi per smurtinę ne pusiausvyros fazę, reikia atsargumo. Naujas karkasas suteikia teorikams fiziškai prasmingą entropiją, kurią galima skaičiuoti per tuos laikotarpius, gerinant palyginimus tarp modelių ir stebėjimų.

Kvantinėje plotmėje juodųjų skylių evaporacija išlieka gili mįslė. Hawkingo pradinė skaičiavimo schema naudoja kvantinius laukus fiksuotame erdvė-laiko fone ir duoda lėtą masės praradimą per spinduliavimą. Kaip šis procesas gerbia arba keičia termodinamikos dėsnius, kai juodoji skylė yra toli nuo pusiausvyros, išlieka atviras klausimas. Entropija, pagrįsta dinamiškais horizontais, suteikia aiškiau apibrėžtą tikslą bet kuriai kvantinės gravitacijos teorijai, siekiančiai atkartoti arba išplėsti Hawkingo rezultatą.

Šis naujas entropijos matas leidžia taikyti termodinamikos dėsnius tikroms, kintančioms juodosioms skylėms.

Eksperto įžvalga

„Perėjimas nuo globalaus horizonto prie lokaliai nustatomo dinamiško horizonto yra praktiškas ir filosofiškai patenkinamas žingsnis,“ sakė dr. Maya Gonzalez, astrofizikė, dirbanti su kompaktiškų objektų skaitmeniniais modeliavimais. „Tai atneša termodinamikos kalbą į sritis, kurias iš tikrųjų tiria gravitacinių bangų detektoriai. Tai padės glaudžiau susieti teoriją, modeliavimą ir stebėjimus.“

Gonzalez pridūrė, kad ši prieiga dar neišsprendžia visų su juodųjų skylių informacija ir evaporacija susijusių paradoksų, tačiau ji suteikia aiškesnę termodinaminę apskaitą greitai kintantiems procesams. „Vien tai yra didelis žingsnis į priekį,“ ji sakė.

Išvados

Fizika pažengia surasdama tinkamą kalbą reiškiniams, kaip jie pasireiškia gamtoje. Pusę amžiaus horizonto ploto kalba puikiai veikė stacionarioms juodosioms skylėms. Penn State komandos pasiūlymas suteikia gramatiką sakiniams, kurie keičiasi viduryje frazės. Apibrėždami entropiją per dinamiškus horizontus ir susiedami ją su vietos energija bei sukimusi, jie daro termodinamikos teiginius taikomus tiems juodųjų skylių atvejams, kuriuos galime stebėti ir modeliuoti.

Priekyje laukia daugiau darbo. Tyrėjai norės patikrinti šiuos generalizuotus dėsnius detaliuose susijungimų modeliuose ir kvantinės evaporacijos scenarijuose. Jie taip pat ištirs, ar naujoji entropija elgiasi, kaip tikimasi, ekstremaliais atvejais ir ar ji suteikia naujų stebimų ženklų gravitacinėse bangose. Kol kas lokalumo linkmė atkuria vieną branginamą fizikų savybę: prognozuojamumą, paremtą prieinamais duomenimis, o ne žinojimu apie ateitį.